Igor Simunec Giacomo Vedovati - Informatica e Fisica...

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








• Conclusione


L’esperimento

di Rutherford


L’apparato che Rutherford costruì per fornire un’evidenza

sperimentale al modello atomico di Thomson

Il decadimento α


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


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%)




• Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)




• Conclusione


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


RBS

• Il fattore cinematico (rapporto tra energia

iniziale e quella finale), è specifico per ogni

elemento


=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.


RBS

RBS


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.








• Conclusione


Apparato

strumentale


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


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.


Logbook

È un quaderno di lavoro nel quale si annotano tutte

le informazioni utili alle elaborazioni dei dati.









• Conclusione


Acquisizione dati


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


Lettura dei dati:

XRump

File di estensione .rbs









• Conclusione


LabVIEW

• Ambiente di

programmazione grafico

• Spesso utilizzato come

DAQ o simulatore


Diagramma

a Blocchi

ROOT

• Pacchetto sviluppato dal CERN per l’analisi

dati

• Utilizza macro in linguaggio C++


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)


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


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)


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


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


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/


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


GRAZIE PER L’ATTENZIONE

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