Sviluppo di un sistema di rivelazione per l'esperimento FAMU (fisica degli atomi muonici) basato su scintillatore LaBr3 con fotomoltiplicatore UQE e sistema spettrometrico DSP

In questa tesi si sono studiati e sviluppati i rivelatori di fotoni x per l’esperimento FAMU (Fisica degli Atomi Muonici gruppo 3 dell’INFN) che indaga sulla natura e la struttura del protone. I rivelatori sono stati assemblati e testati con elementi che rappresentano lo stato dell’arte nel campo dei rivelatori di radiazione (scintillatori LaBr3(Ce) e fotomoltiplicatori Hamamatsu™ Ultra Bi-Alcali). È stata anche studiata e sviluppata parte della catena di formatura del segnale. Questa è stata implementata su un chip FPGA dell’ALTERA™ con buoni risultati per quanto riguarda la qualità del filtro; le performance dell’FPGA non hanno consentito di raggiungere la velocità di 500MHz richiesta dall’esperimento costringendo l’implementazione ad una velocità massima di 320MHz.

Metodi numerici di regolarizzazione per l'inversione 2d di dati di risonanza magnetica nucleare

Molte applicazioni sono legate a tecniche di rilassometria e risonanza magnetica nucleare (NMR). Tali applicazioni danno luogo a problemi di inversione della trasformata di Laplace discreta che è un problema notoriamente mal posto. UPEN (Uniform Penalty) è un metodo numerico di regolarizzazione utile a risolvere problemi di questo tipo. UPEN riformula l’inversione della trasformata di Laplace come un problema di minimo vincolato in cui la funzione obiettivo contiene il fit di dati e una componente di penalizzazione locale, che varia a seconda della soluzione stessa. Nella moderna spettroscopia NMR si studiano le correlazioni multidimensionali dei parametri di rilassamento longitudinale e trasversale. Per studiare i problemi derivanti dall’analisi di campioni multicomponenti è sorta la necessità di estendere gli algoritmi che implementano la trasformata inversa di Laplace in una dimensione al caso bidimensionale. In questa tesi si propone una possibile estensione dell'algoritmo UPEN dal caso monodimensionale al caso bidimensionale e si fornisce un'analisi numerica di tale estensione su dati simulati e su dati reali.

Principali reazioni termo-nucleari nelle stelle

La presente tesi di laurea tratta, come suggerisce il titolo, dei più importanti fenomeni termo-nucleari che caratterizzano i corpi celesti noti come ''stelle''. Dopo un breve excursus su cosa esse siano, con particolare riferimento ai maggiori costituenti, alle forze in gioco e a come si formano, verranno enunciate ed analizzate le reazioni interne dominanti, nello specifico la celebre protone-protone, coi suoi canali ''pp-I'', ''pp-II'' e ''pp-III'', ed il ciclo ''CNO'', primario e secondario, per quanto riguarda la sequenza principale; in seguito, saranno esposti i processi di maggior rilevanza che accompagnano gli stadi evolutivi più avanzati, come il ''3-alfa'', le ''catture alfa'' e nucleosintesi successive, focalizzando l'attenzione su quel che riguarda le ''catture neutroniche''. Chiudono l'elaborato alcuni cenni conclusivi, ancora sulle stelle e sui loro prodotti.

La trasformata veloce di Fourier (FFT): analisi e implementazione in C++

La trasformata di Fourier (FT) è uno strumento molto potente implementato, oggi, in un enorme numero di tecnologie. Il suo primo esempio di applicazione fu proprio il campionamento e la digitalizzazione di segnali analogici. Nel tempo l'utilizzo della FT è stato ampliato a più orizzonti in ambito digitale, basti pensare che il formato di compressione '.jpg' utilizza una FT bidimensionale, mentre uno degli ultimi esempi di applicazione si ha nell'imaging digitale in ambito medico (risonanza magnetica nucleare, tomografia assiale computerizzata TAC ecc...). Nonostante gli utilizzi della FT siano molto diversificati il suo basilare funzionamento non è mai cambiato: essa non fa altro che modificare il dominio di una funzione del tempo (un segnale) in un dominio delle frequenze, permettendo così lo studio della composizione in termini di frequenza, ampiezza e fase del segnale stesso. Parallelamente all'evoluzione in termini di applicazioni si è sviluppato uno studio volto a migliorare e ottimizzare la computazione della stessa, data l'esponenziale crescita del suo utilizzo. In questa trattazione si vuole analizzare uno degli algoritmi di ottimizzazione più celebri e utilizzati in tal senso: la trasformata veloce di Fourier (Fast Fourier Transformation o FFT). Si delineeranno quindi le caratteristiche salienti della FT, e verrà introdotto l'algoritmo di computazione tramite linguaggio C++ dedicando particolare attenzione ai limiti di applicazione di tale algoritmo e a come poter modificare opportunamente la nostra funzione in modo da ricondurci entro i limiti di validità.

Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la caratterizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della materia oscura

Da numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche si ipotizza che la Materia Oscura rappresenti gran parte della massa dell’Universo. La Materia Oscura ha la particolarita` di interagire solo gravitazionalmente o debolmente e si presenta come massiva e neutra. Tra i vari candidati al ruolo di particelle di Materia Oscura troviamo le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Un’esperimento che si propone di rivelare in modo diretto le WIMP, mediante la loro diffusione elastica su nuclei di Xeno, `e il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le tecniche di rivelazione diretta prevedono l’utilizzo di rivelatori grandi, in questo caso a gas nobile, ultra puri e situati in ambienti a bassa radioattivita` per diminuire il rumore di fondo come ad esempio i neutroni indotti dai muoni provenienti dai raggi cosmici (laboratori sotterranei). A causa della sezione d’urto molto piccola necessario raggiungere basse energie di soglia. A tal proposito sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in fase di studio soluzioni tecnologiche che migliorino la raccolta di luce. Una di queste prevede l’utilizzo di foto rivelatori tipo SiPM da affiancare a normali PMT. Tali rivelatori devono essere in grado di funzionare a basse temperature (circa −100◦ C) e devono poter rivelare fotoni di lunghezza d’onda di 178 nm. Il mio lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questo lavoro `e stato infatti la preparazione di un setup sperimentale per caratterizzare in aria fotorivelatori SiPM Hamamatsu (prototipo codice S12574) in grado di lavorare in Xeno liquido. Oltre all’installazione del setup mi sono occupato di scrivere un programma in C++ in grado di analizzare le forme d’onda acquisite in run preliminari e di misurare guadagno e dark count rate del rivelatore.

Misura di reazioni di fusione-evaporazione 16O + 12C. Risultati preliminari.

Questo lavoro di tesi è stato svolto nell'ambito del gruppo Nucl-ex di Bologna dell'INFN. L'esperimento specifico si inquadra nello studio di collisioni di nuclei con numero di neutroni N uguale al numero di protoni Z (nuclei pari-pari). In particolare si vuol analizzare una reazione centrale, cioè a piccoli parametri d'impatto, nella quale i nuclei del proiettile e del bersaglio fondono assieme formando un sistema unico eccitato (nucleo composto) che successivamente decade. Nel caso della misura descritta sono stati utilizzati un fascio di 16O ed un bersaglio di 12C ed il sistema fuso che si forma è 28Si. Per rivelare le particelle provenienti dal decadimento è stato impiegato l'apparato G.AR.F.I.E.L.D. (General Array for Fragment Identification and Emitted Light particles in Dissipative collisions) accoppiato al rivelatore denominato Ring Counter (RCo). La misura è stata realizzata presso i Laboratori Nazionali dell'INFN di Legnaro (Pd) in collaborazione tra le Università e le sezioni INFN di Bologna, Firenze, Napoli e Padova. Il fascio è stato accelerato mediante l'acceleratore elettrostatico Tandem XTU, mentre il bersaglio era fisso nel sistema di riferimento del laboratorio. La misura di collisione è stata realizzata per tre diverse energie cinetiche del fascio: 90.5 MeV, 110 MeV e 130 MeV. Il lavoro è consistito principalmente nella partecipazione a diverse fasi della misura, tra cui preparazione, presa dati ed alcune calibrazioni energetiche dei rivelatori, fino ad ottenere risultati preliminari sulle distribuzioni di frequenza dei frammenti rivelati, sulle molteplicità e sulle distribuzioni angolari di particelle leggere. L'analisi preliminare effettuata ha mostrato che il valore medio di carica del residuo di evaporazione {Definito come il frammento che rimane nello stato fondamentale alla fine della catena di decadimento.} diminuisce all'aumentare dell'energia a disposizione. In modo consistente aumenta, all'aumentare dell'energia, la molteplicità media delle delle particelle leggere. Le distribuzioni angolari di particelle leggere mostrano andamenti molto simili fra le diverse energie, ma poco compatibili con il fatto che, all'aumentare dell'energia del fascio, diminuisce il cono di emissione di particelle di decadimento, in quanto aumenta la velocità del sistema fuso.

Realizzazione e convalida del modello Monte Carlo di un calibratore di attività per radiofarmaci

I calibratori di attività sono strumenti molto importanti per la pratica, diagnostica e terapeutica, in medicina nucleare, perché permettono di associare ad un radiofarmaco una misura accurata dell’attività dell’isotopo in esso contenuto; questo è fondamentale in quanto l’attività della sorgente esprime la quantità di farmaco somministrata al paziente. In questo lavoro è stato sviluppato il modello Monte Carlo di un calibratore di attività ampiamente diffuso nei laboratori di radiofarmacia (Capintec CRC-15), utilizzando il codice Monte Carlo FLUKA. Per realizzare il modello si è posta estrema attenzione nel riprodurre al meglio tutti i dettagli delle componenti geometriche della camera e dei campioni delle sorgenti radioattive utilizzati. A tale scopo, la camera di ionizzazione di un calibratore è stata studiata mediante imaging TAC. Un’analisi preliminare è stata eseguita valutando il confronto tra l’andamento sperimentale dell’efficienza della camera in funzione dell’energia dei fotoni incidenti e quello ottenuto in simulazione. In seguito si è proceduto con la validazione: si sono studiati a questo proposito la risposta del calibratore in funzione dell’altezza della sorgente e i confronti tra i fattori relativi (rispetto ad una sorgente certificata di 137Cs) e le misure di confronto sono state eseguite con diverse sorgenti certificate di 133Ba, 68Ge-68Ga, 177Lu ed uno standard tarato internamente di 99mTc. In tale modo, si è ricoperto l'intero campo di interesse dei principali radionuclidi impiegati nelle applicazioni diagnostiche e terapeutiche di Medicina Nucleare. Il modello sviluppato rappresenta un importante risultato per l’eventuale determinazione di nuovi fattori di calibrazione o per un futuro studio relativo all’ottimizzazione della risposta del calibratore.

Neutron radiation resistance of photomultipliers for the LUCID detector in the ATLAS experiment at LHC

Durante il Long Shutdown 1 di LHC sono stati cambiati i fotomoltiplicatori del rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS. I due modelli candidati per la sostituzione sono stati sottoposti a test di resistenza alla radiazione di gamma e neutroni. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, risposta spettrale, guadagno relativo e assoluto, prima e dopo l’irraggiamento con neutroni. L’unica differenza di rilievo riguarda un aumento della dark current, gli altri parametri non presentano variazioni entro la precisione delle misure. Non ci sono differenze sostanziali tra i due modelli per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni.

Modelli dinamici per fenomeni collettivi in fisica dei sistemi complessi

In questo lavoro si parla di un particolare comportamento emergente nei sistemi complessi: il flocking. Dopo aver dato una panoramica generale di come sia stato affrontato finora lo studio della formazione degli stormi, vengono portati come esempio un modello matematico e uno studio empirico particolare, il quale fonda le basi del flocking su un’interazione topologica. Il modello matematico, basato su un’interazione metrica, viene dapprima presentato, cercando di darne una parziale spiegazione tramite le proprietà delle matrici laplaciane, per poi essere testato attraverso delle simulazioni numeriche. Lo studio empirico, invece, viene presentato nei dettagli fornendo risultati e ipotesi atte a spiegarli. Infine prendendo spunto da questi due lavori, nell’ultima parte vengono posti a confronto due modelli, uno metrico e uno topologico, tramite simulazioni al calcolatore. L’esito di queste simulazioni conferma le ipotesi avanzate per spiegare i risultati empirici.

Valutazione sperimentale della purezza radionuclidica per diversi lotti di radiofarmaco "Xofigo" (223Ra-cloruro)

Nell'ambito della terapia medico-nucleare si fa uso di radionuclidi legati a molecole di interesse biologico per poter irradiare le cellule cancerogene di un determinato tessuto, al fine di provocarne l'inattivazione e la morte. Il 223Ra-cloruro è un radiofarmaco di recente introduzione volto al trattamento di metastasi ossee dovute al tumore della prostata. Esso è un emettitore alfa ed è ottenuto tramite un generatore caricato con 227Ac/227Th all'equilibrio. Il radiofarmaco, oltre al breakthrough del progenitore, può contenere anche tracce di 226Ra e 228Th, derivanti dal suo processo produttivo. In questo lavoro di tesi è stato valutato il valore di purezza radionuclidica del 223Ra-cloruro, ricercando la presenza dei suddetti contaminanti, attraverso l'analisi del radiofarmaco mediante uno spettrometro gamma con rivelatore HPGe. Nonostante in uno dei lotti sia stata effettivamente rilevata la presenza del progenitore 227Ac, le misure eseguite hanno comunque confermato l'alto valore di purezza radionuclidica riportato nel Summary of Product Characteristics (SPC) del radiofarmaco. Ciò conferma che non viene somministrata una dose di radiazione ingiustificata al paziente dovuta alla presenza dei contaminanti e semplifica la relativa gestione dei rifiuti radioattivi e le procedure autorizzative.

Studies on ToF-PET using Cherenkov radiation

La tomografia ad emissione di positroni (PET) è una tecnica di imaging di medicina nucleare, utilizzata oggi diffusamente in ambito clinico. Essa fornisce immagini e informazioni fisiologiche dei processi funzionali all’interno del corpo. La PET si basa sulla rilevazione di fotoni di annichilazione prodotti in seguito al decadimento di un radio farmaco iniettato nel paziente. I rilevatori convenzionali sono costituiti da un materiale scintillatore accoppiato ad un fotomoltiplicatore, solitamente un PMT o SiPM. Uno sviluppo della PET è la Time of Flight PET (ToF PET), attualmente già in commercio ed utilizzata con prestazioni eccellenti. Un’ulteriore modifica, che potenzialmente permetterebbe di ottenere una migliore risoluzione temporale, è la ToF PET basata sulla rilevazione di fotoni tramite radiazione Cherenkov, invece che luce di scintillazione. Questo lavoro di tesi è incentrato dunque su questa tecnica specifica. Si illustra una rassegna di pubblicazioni scientifiche degli ultimi anni riguardo ad essa con i relativi risultati ottenuti e i possibili sviluppi futuri. Infine si propone un approfondimento personale, nel quale, tramite un programma scritto in ROOT, si è realizzata una geometria di un sistema di rilevazione ToF PET. Esso prevede la rilevazione dei fotoni di annichilazione tramite un radiatore Cherenkov accoppiato ad un SiPM. In futuro questo potrà essere implementato e utilizzato per simulare il processo fisico della PET, verificando la validità e le prestazioni del sistema così sviluppato.

Caratterizzazione fisica di apparati per tomosintesi digitale della mammella

In questo lavoro di tesi sono state studiate le caratteristiche di una macchina per tomosintesi Fujifilm AMULET Innovality in uso presso l'Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (I.R.S.T.) di Meldola. Le valutazioni sono state fatte utilizzando diversi fantocci, uno dei quali costruito durante il lavoro di tesi. Per la valutazione delle immagini di mammografia digitale e di tomosintesi sono state seguite le linee guida della International Electrotechnical Commission (IEC) e della European Reference Organisation for Quality Assured Breast Screening and Diagnostic Services (EUREF). Per lo studio delle mammografie digitali sono stati valutati, utilizzando i software COQ e ImageJ, i parametri di NPS, MTF e DQE. Per lo studio delle immagini di tomosintesi sono stati appositamente sviluppati degli algoritmi in linguaggio Java, integrati poi all'interno del software COQ. Il programma sviluppato ha permesso di valutare ASF, MTF, NPS e omogeneità delle immagini ricostruite.

Processi di appropriazione nello studio della fisica quantistica: analisi di una sperimentazione didattica in una quinta liceo scientifico

In questa tesi sono stati analizzati i dati raccolti nella sperimentazione di un percorso di fisica quantistica in una quinta liceo scientifico – indirizzo musicale, svolta nel periodo Marzo-Giugno 2015. Il percorso, progettato dai ricercatori in Didattica della Fisica del DIFA di Bologna, comprende una parte “genuinamente” quantistica sviluppata a partire dall’“Esperimento più bello della Fisica”. Il percorso è stato progettato sulla base dei criteri che definiscono l’appropriazione, costrutto che esprime un particolare tipo di apprendimento attraverso cui lo studente “fa proprio” un concetto. L’analisi è stata condotta con l’obiettivo di osservare casi di appropriazione tra gli studenti e di rifinire il costrutto di appropriazione, valutando in particolare l’efficacia del questionario sociometrico, uno strumento appositamente progettato dall’autore di questa tesi per valutare una delle dimensioni di cui si compone il costrutto di appropriazione. I principali dati analizzati per dare risposta agli obiettivi della tesi riguardano le risposte degli studenti a interviste realizzate alla fine del percorso scolastico, nonché gli esiti di altre attività appositamente progettate: svolgimento di un compito in classe, elaborazione di un tema scientifico, compilazione di questionari. I risultati mostrano come si siano ritrovati tre punti molto delicati che possono ostacolare l’appropriazione: il tempo a disposizione, le dinamiche di classe e soprattutto il rapporto che hanno avuto gli studenti con i concetti quantistici del percorso. Tali fattori hanno portato reazioni molto diverse: chi è stato stimolato e questo ha favorito l’appropriazione, chi ha compreso la fisica quantistica ma non l’ha accettata, chi l’ha compresa e accettata senza troppi problemi, chi si è rifiutato di studiarla perché “troppo grande per sé”.

Caratterizzazione sperimentale della produzione in aria di 41-Ar nell'impiego di un ciclotrone per uso biomedico

Negli ultimi anni l'utilizzo di ciclotroni per la produzione di radionuclidi, impiegati nell'ambito della Medicina Nucleare, è diventato un processo sempre più diffuso e numerosi sono i modelli commercialmente disponibili. L'impiego di questo tipo di apparecchiature porta a considerare questioni rilevanti legate alla radioprotezione che coinvolgono una serie di aspetti complessi sia nella fase progettuale del sistema, sia nell'ottenimento delle necessarie autorizzazioni. In particolare, uno dei problemi radioprotezionistici da affrontare è legato alla dispersione in ambiente di aeriformi radioattivi, prodotti dall'interazione di flussi di particelle secondarie con l'aria. In questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell'Ospedale Sant'Orsola di Bologna, si è cercato di caratterizzare l'emissione di tali gas radioattivi considerando l'effetto del sistema di ventilazione. E' stata eseguita un'estesa campagna di misurazioni in diversi punti di campionamento, collocati lungo il percorso di estrazione dell'aria: dal bunker fino all'immissione in ambiente. Sono stati ideati e realizzati dei compatti sistemi di campionamento che hanno permesso di definire, attraverso un sistema di spettrometria gamma equipaggiato con rivelatore al HPGe, una sistematica procedura per la determinazione di concentrazione di attività. I risultati ottenuti mostrano come, durante la routine di produzione di 18F mediante ciclotrone, il processo più rilevante di attivazione dell'aria sia la produzione di 41Ar (T1/2=109.34 minuti), unico radionuclide identificato in tutte le misurazioni. Infine, sulla base dei dati sperimentali ottenuti, è stata effettuata una valutazione della dose rilasciata alla popolazione locale. Il risultato, pari a 0.19 µSv/anno, può essere considerato trascurabile rispetto alla soglia di "non rilevanza radiologica", a dimostrazione di come le tipiche procedure in ambito di Medicina Nucleare possano essere considerate del tutto giustificate.

Trasporto di un fascio intenso in un solenoide

Lo scopo di questo lavoro è di studiare il problema del trasporto di una carica attraverso un solenoide. Il campo magnetico ha la caratteristica di essere nullo fuori dal solenoide, costante all’interno, con una transizione più o meno rapida. Quando la transizione è discontinua si può fornire una soluzione analitica associandovi una mappa di trasferimento. Negli altri casi la soluzione si ottiene con una integrazione numerica. Inoltre il solenoide si comporta come una lente cromatica, che può essere usata per selezionare la componente di un fascio con una determinata energia. Nel quadro dei dispositivi che utilizzano solenoidi per focalizzare un fascio di protoni, si descrive il modulo di trasporto a bassa energia denominato LEBT, che precede i dispositivi acceleranti presenti in un linac come quello di ESS. A tal fine si discute brevemente come gli effetti di carica spaziale attenuino il potere focalizzante di un solenoide. Una linea di trasporto LEBT è anche presente nel linac del progetto IFMIF, il cui scopo è analizzare il danneggiamento prodotto dai neutroni sui materiali che verranno impiegati nei reattori ITER e DEMO. In questo abtract non si segue l’ordine di presentazione dei vari argomenti data la diversa rilevanza che questi hanno nella trattazione che segue.