Elettronica nucleare
A.A. 2024/2025
Learning objectives
L'insegnamento si propone di trasmettere agli studenti conoscenze approfondite sul rumore elettronico e la sua propagazione in sistemi lineari tempo-invarianti e tempo-varianti, nonché sulle tecniche di ottimizzazione del rapporto segnale-rumore in presenza di rumore a densità spettrale arbitraria. Quale caso di studio verrà considerata la spettrometria ad alta risoluzione di radiazioni nucleari.
Expected learning outcomes
Lo studente al termine dell'insegnamento avrà acquisito le seguenti competenze:
1. saprà descrivere i meccanismi fisici che generano rumore elettronico;
2. conoscerà il concetto di densità spettrale di rumore e saprà calcolare il rapporto segnale-rumore;
3. saprà propagare le sorgenti di rumore elettronico nei circuiti lineari e/o riferirle all'ingresso;
4. avrà compreso il concetto di funzione peso e di filtraggio ottimo;
5. saprà descrivere i blocchi principali di un sistema elettronico per spettroscopia di radiazioni ionizzanti;
6. conoscerà il principio di funzionamento e le caratteristiche statiche, dinamiche e di rumore del preamplificatore di carica;
7. saprà ricavare la forma dei segnali generati da rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti;
8. conoscerà le tecniche di ottimizzazione a livello fisico e di processing della catena elettronica per la rivelazione di particelle e radiazioni ionizzanti.
1. saprà descrivere i meccanismi fisici che generano rumore elettronico;
2. conoscerà il concetto di densità spettrale di rumore e saprà calcolare il rapporto segnale-rumore;
3. saprà propagare le sorgenti di rumore elettronico nei circuiti lineari e/o riferirle all'ingresso;
4. avrà compreso il concetto di funzione peso e di filtraggio ottimo;
5. saprà descrivere i blocchi principali di un sistema elettronico per spettroscopia di radiazioni ionizzanti;
6. conoscerà il principio di funzionamento e le caratteristiche statiche, dinamiche e di rumore del preamplificatore di carica;
7. saprà ricavare la forma dei segnali generati da rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti;
8. conoscerà le tecniche di ottimizzazione a livello fisico e di processing della catena elettronica per la rivelazione di particelle e radiazioni ionizzanti.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Course syllabus and organization
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Nel corso verrà descritta dettagliatamente la catena elettronica per la misura dei segnali generati dai rivelatori a semiconduttore, con particolare accento sul fenomeno del rumore elettronico, la sua origine fisica e le tecniche per minimizzarne gli effetti. Gli argomenti trattati sono i seguenti:
- Elementi di teoria del segnale e del rumore elettronico.
Descrizione del segnale nel dominio del tempo e della frequenza (trasformata di Fourier). Principali fonti di rumore (rumori termici, rumore shot, rumore 1/f e lorentziano). Funzione di autocorrelazione e densità spettrale di rumore. Rapporto segnale rumore, risoluzione delle misure
- Rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti (X e gamma).
Principi di funzionamento. Fattore di Fano. Parametri elettrici (capacità, corrente di fuga). Effetti di bordo. Rapporto picco-valle.
- Preamplificazione e amplificazione del segnale.
Richiami sugli amplificatori retroazionati a massa virtuale. Preamplificatore di carica (struttura circuitale, funzione di trasferimento, tempo di salita, tempo di reset, tempo morto). Carica equivalente di rumore (ENC).
- Ottimizzazione del rapporto segnale/rumore delle misure spettrali
Accoppiamento ottimo rivelatore-preamplificatore. Filtro ottimo teorico. Filtri formatori analogici (funzione peso, tempo di formatura, baseline restorer).
- Conversione analogico-numerica del segnale e filtraggio digitale.
Tecniche di conversione. Non linearità integrale e differenziale. Tecniche di correzione. Filtri formatori digitali. Baseline restorer digitale.
- Elementi di teoria del segnale e del rumore elettronico.
Descrizione del segnale nel dominio del tempo e della frequenza (trasformata di Fourier). Principali fonti di rumore (rumori termici, rumore shot, rumore 1/f e lorentziano). Funzione di autocorrelazione e densità spettrale di rumore. Rapporto segnale rumore, risoluzione delle misure
- Rivelatori a semiconduttore di particelle e radiazioni ionizzanti (X e gamma).
Principi di funzionamento. Fattore di Fano. Parametri elettrici (capacità, corrente di fuga). Effetti di bordo. Rapporto picco-valle.
- Preamplificazione e amplificazione del segnale.
Richiami sugli amplificatori retroazionati a massa virtuale. Preamplificatore di carica (struttura circuitale, funzione di trasferimento, tempo di salita, tempo di reset, tempo morto). Carica equivalente di rumore (ENC).
- Ottimizzazione del rapporto segnale/rumore delle misure spettrali
Accoppiamento ottimo rivelatore-preamplificatore. Filtro ottimo teorico. Filtri formatori analogici (funzione peso, tempo di formatura, baseline restorer).
- Conversione analogico-numerica del segnale e filtraggio digitale.
Tecniche di conversione. Non linearità integrale e differenziale. Tecniche di correzione. Filtri formatori digitali. Baseline restorer digitale.
Prerequisiti
1. Fondamenti di elettrostatica
2. Basi di teoria delle reti lineari
3. Uso di trasformate e antitrasformate di Fourier e Laplace
4. Concetto di retroazione negativa
5. Fondamenti di statistica
6. Fondamenti di fisica dei semiconduttori
2. Basi di teoria delle reti lineari
3. Uso di trasformate e antitrasformate di Fourier e Laplace
4. Concetto di retroazione negativa
5. Fondamenti di statistica
6. Fondamenti di fisica dei semiconduttori
Metodi didattici
Viene adottato un metodo didattico top-down, in cui il docente illustra gli argomenti partendo da una visione intuitiva d'insieme e da aspetti generali, per poi approfondire punti specifici con dovizia di dettagli matematici, fisici, ingegneristici. Una ampia parte dell'insegnamento è dedicata al caso di studio della catena elettronica per spettroscopia di radiazioni ionizzanti.
Materiale di riferimento
E. Gatti, P.F. Manfredi, "Processing the signals from solid-state detectors in elementary-particle physics"
A cura di A. Pullia, "Dispense di strumentazione elettronica", CD-ROM
A cura di A. Pullia, "Dispense di strumentazione elettronica", CD-ROM
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La verifica delle conoscenze avviene attraverso un colloquio focalizzato su specifici aspetti del programma a scelta del docente. La valutazione tiene conto sia delle competenze acquisite (50%) sia della qualità dell'esposizione e della capacità di inquadrare i vari aspetti nel contesto generale (50%)
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