Caratterizzazione di un sistema di veto per un rilvelatore di neutroni nell'ambito dell'esperimento FOOT

L’adroterapia è un tipo di terapia oncologica in cui il tumore è irraggiato con particelle cariche (adroni) quali protoni e ioni carbonio. Il vantaggio principale rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X consiste nel fatto che l’irraggiamento con adroni non coinvolge i tessuti sani circostanti quelli malati. Tuttavia, si conosce ancora poco sui processi di frammentazione nucleare che avvengono tra gli adroni del fascio usato nel trattamento e i nuclei presenti nel corpo umano. Così, nel 2017 nasce l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) con lo scopo di misurare le sezioni d’urto differenziali dei frammenti nucleari prodotti nell’interazione a energie di 200-400 MeV/u (tipicamente impiegate in adroterapia). Attualmente l’apparato sperimentale di FOOT è in grado di compiere misure accurate solo per frammenti carichi, ma nell’ultimo anno si è cominciata ad esplorare la possibilità di rivelare anche i neutroni. Per questa operazione è necessario servirsi di scintillatori liquidi affiancati ad un sistema di veto costituito da scintillatori plastici sottili accoppiati a sensori che segnalano il passaggio di eventuali frammenti carichi. In una precedente campagna di misure con la collaborazione FOOT, si sono utilizzati come sensori dei tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per migliorare le prestazioni del sistema di veto si è reso necessario l’utilizzo di scintillatori plastici veloci, letti da sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). In questa tesi mi sono occupato della risoluzione temporale dei segnali acquisiti con scintillatori plastici EJ-204 di 3 mm di spessore, letti da SiPM SenseL®.

Caratterizzazione di SiPM in ambiente criogenico per il far detector di DUNE

DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) è un esperimento internazionale attualmente in costruzione al laboratorio Fermilab in Illinois, Stati Uniti. Il suo scopo sarà quello di studiare alcuni dei fenomeni e quesiti aperti che riguardano i neutrini: particelle debolmente interagenti facenti parte del Modello Standard. In particolare DUNE intende studiare il fenomeno dell'oscillazione di sapore dei neutrini, osservare neutrini provenienti da supernove e stelle di neutroni per studiarne la formazione e ricercare l'eventuale decadimento dei protoni. L'esperimento sarà formato da due siti sperimentali distanti circa 1300 km tra loro: il Near Detector situato a Fermilab ed il Far Detector, situato al Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota. Questa tesi è rivolta in particolare al sistema di fotorivelazione del Far Detector, che utilizza fotomoltiplicatori al silicio (Silicon Photomultipliers, o SiPM). Questi dispositivi dovranno funzionare in condizioni criogeniche in argon liquido, perciò è stata avviata un'intensiva campagna di test volta alla caratterizzazione e validazione dei sensori che saranno montati nell'apparato. La sezione INFN di Bologna è coinvolta in questa campagna e dovrà testare una parte dei SiPM destinati all'impiego in DUNE. A tale scopo è stato realizzato, nei laboratori INFN, un sistema per il test di tali dispositivi in criogenia su larga scala. L'attività di tesi ha previsto la caratterizzazione di diversi SiPM sia a temperatura ambiente sia in criogenia e l'analisi delle distribuzioni statistiche dei parametri di diversi campioni di SiPM.

Adattamento e valutazione del software di ricostruzione Patatrack per rivelatori a pixel applicato a dati TrackML

La ricostruzione delle traiettorie delle particelle prodotte dai vertici di interazione a LHC è di fondamentale importanza per tutti gli esperimenti. Questo passo è uno dei più dispendiosi in termini di tempo e calcolo computazionale nella catena di ricostruzione dell’evento e diventa sempre più complesso con l’aumentare del numero di collisioni. L’esperimento CMS adotta un rivelatore di tracciamento con tecnologia al silicio, dove la parte più interna sfrutta rivelatori con geometria a pixel, mentre la parte esterna utilizza delle strisce di silicio. Per quanto riguarda la ricostruzione nel rivelatore a pixel, sono stati sviluppati diversi algoritmi ottimizzati per fronteggiare l’alto rate di acquisizione dati, sfruttando anche il calcolo parallelo su GPU, con un’efficienza di tracciamento comparabile o superiore agli algoritmi precedentemente utilizzati. Questi nuovi algoritmi sono alla base del software Patatrack per la ricostruzione delle traiettorie. Il lavoro descritto in questa tesi punta ad adattare Patatrack ad una geometria diversa e più complessa di quella di CMS e di valutarne le prestazioni di fisica e computazionali. Sono stati utilizzati i dati forniti dalla TrackML challenge, il cui scopo è incentivare lo sviluppo di nuovi algoritmi di ricostruzione di tracce per gli esperimenti in fisica delle alte energie. E' stato condotto uno studio approfondito della nuova geometria per potervi successivamente adattare il software esistente. Infine, la catena di ricostruzione è stata modificata per poter utilizzare i dati forniti dalla TrackML challenge e permettere la ricostruzione delle traiettorie.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.

Development of a High-Efficiency Inverter with SiC Technology for Photovoltaic Applications

I convertitori elettronici di potenza sono da anni largamente diffusi sul mercato, poiché necessari per pilotare motori elettrici a velocità variabile in ambito industriale e a interfacciare alla rete elettrica i generatori da fonti di energia rinnovabili, in particolare eolica e fotovoltaica. In tutti i casi è richiesto che i convertitori siano efficienti, ovvero che l’energia persa durante la conversione sia minima. Considerando che il cuore di un convertitore è costituito da interruttori statici, è fondamentale una stima accurata dell’efficienza di questi ultimi per definire le prestazioni di un convertitore. Il materiale più diffuso per la realizzazione di questi componenti è il silicio (Si), ma esistono oggi altri semiconduttori che permettono prestazioni migliori, quali il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). A causa del loro elevato costo di produzione rispetto ai componenti tradizionali, è divenuto sempre più importante stimare l’efficienza dei convertitori che montano queste tecnologie innovative, per trovare una giustificazione al loro impiego. In questa tesi, in particolare, l’efficienza di un convertitore con tecnologia SiC è stata prima calcolata analiticamente e poi testata a banco. Infine, è proposta un’architettura per un inverter trifase che possa essere impiegata per un’applicazione fotovoltaica. Questo lavoro è parte delle attività assegnate a Raw Power S.r.l. nell’ambito del progetto Europeo YesVGaN, il cui scopo ultimo entro i prossimi anni, è la realizzazione di componenti GaN commercialmente appetibili, che necessiteranno di essere testati e confrontati con i dispositivi al silicio e al carburo di silicio.

Ottimizzazione dell’ubicazione di hub logistici distributivi ed analisi sulla sostenibilità ambientale: il caso FAAC Technologies

Il presente lavoro di tesi si occupa di identificare le possibili ubicazioni di hub logistici distributivi del gruppo aziendale FAAC Technologies e di valutare le alternative da un duplice punto di vista: economico e sostenibile. Per raggiungere il suddetto risultato è stata dapprima studiata l’attuale configurazione logistica nel centro Europa. Unendo le caratteristiche dell’azienda con le ricerche presenti in letteratura scientifica riguardo la risoluzione di Hub Location Problem, è stato implementato un modello matematico che ottimizzi economicamente il posizionamento degli stabilimenti secondo diversi scenari organizzativi. Una seconda versione del modello valuta il rispetto dei tempi di transito da parte delle soluzioni ottenute. Infine, gli stessi scenari sono stati comparati tra loro in base all’impatto ambientale in termini di CO2 emessa nell’atmosfera per via del trasporto. Sono state studiate strategie riguardanti la logistica distributiva sostenibile e sono state proposte soluzioni in grado di mitigare gli effetti dovuti all’immissione di anidride carbonica. Gli strumenti digitali utilizzati nella presente ricerca sono stati: Excel per visualizzare ed elaborare i dati aziendali; Flourish per visualizzare i dati in mappe geografiche; MATLAB per trasformare le tariffe di trasporto in equazioni matematiche; Gurobi Optimizer per ottenere le soluzioni date dall’ottimizzazione del modello matematico, programmando attraverso il linguaggio AMPL. I risultati più significativi dimostrano la possibilità di raggiungere un risparmio economico del 16,7% dei costi logistici nel caso di ubicazione di un solo hub e del 9,8% nel caso di due hub. Dal punto di vista ambientale le medesime soluzioni comportano un aumento delle emissioni di CO2 rispettivamente del 45% e 8%. L’azzeramento di queste emissioni aggiuntive è possibile e a tal fine sarebbe necessario sostenere extra costi, i quali farebbero convergere entrambe gli scenari ad un risparmio comune pari all’8,2%.

Discriminazione n/γ tramite l'analisi della forma dell'impulso di uno scintillatore di stilbene deuterato

Nel corso degli ultimi decenni sono stati eseguiti diversi esperimenti volti alla misura della lunghezza di scattering neutrone-neutrone, ma alcuni risultati si sono rivelati discordanti e ad oggi essa è ancora nota con insufficiente precisione, a causa della complessità del problema sia dal punto di vista teorico che sperimentale. Una migliore conoscenza di questa grandezza può fornire importanti informazioni sulla natura dei nucleoni e sulle loro interazioni. È stato quindi proposto un esperimento volto alla misura della lunghezza di scattering neutrone-neutrone al CERN di Ginevra, presso la facility n_TOF, sfruttando gli aggiornamenti apportati alle aree sperimentali e alla sorgente di neutroni negli ultimi anni. L'esperimento prevede di utilizzare la reazione di breakup del deuterio tramite l'impiego di un target attivo, composto da un bersaglio di stilbene deuterato (stilbene-d12) che funge anche da materiale scintillatore. Per verificare la fattibilità dell'esperimento sono stati eseguiti dei test preliminari presso la facility del National Center for Scientific Research (NCSR) Demokritos, irradiando il target attivo con neutroni e raggi γ a diverse energie e utilizzando due tipi diversi di sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) nel sistema di rivelazione. In questa tesi sono stati analizzati dei segnali provenienti da questi test, valutando la possibilità di eseguire discriminazione n/γ sfruttando la tecnica della Pulse Shape Discrimination (PSD).

Caratterizzazione di sensori Low Gain Avalanche Detector (LGAD) per il sistema di tempo di volo dell'esperimento ALICE 3 a LHC

Il lavoro presentato in questa tesi analizza il comportamento elettrico di prototipi di sensori Low-Gain Avalanche Detector (LGAD) ultrasottili. L'analisi consiste in una verifica sperimentale delle caratteristiche attese di questi sensori, che sono stati selezionati come possibili candidati per la realizzazione del sistema di Time-Of-Flight (TOF) nell'esperimento ALICE 3. Concepito come evoluzione dell'esperimento ALICE attualmente in funzione al CERN, ALICE 3 rappresenta l'archetipo di una nuova generazione di esperimenti nella fisica delle collisioni di ioni pesanti, ed è previsto iniziare la propria attività di presa dati per LHC Run 5 nel 2032. Sono stati presi in considerazione 22 campioni di LGAD, di cui 11 provenienti dal wafer di produzione 5 (spessore 25 um) e gli altri 11 dal wafer 6 (spessore 35 um). In entrambi i casi, di questi 11 sensori, 6 sono campioni in configurazione LGAD-PIN e 5 sono matrici. Tutti e 22 i campioni sono stati sottoposti a misure di corrente in funzione del voltaggio, mentre solo quelli appartenenti al wafer 5 anche a misure di capacità. L'obiettivo è quello di misurare la caratteristica IV e CV per ognuno dei campioni e da queste estrarre, rispettivamente, tensione di breakdown e profilo di doping.

Sviluppo di un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si

Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di implementare un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si in regime statico e dinamico, mediante l’identificazione e l’ottimizzazione dei parametri caratteristici del modello di Jiles-Atherton. Tale fine è stato perseguito attraverso l’uso del software di calcolo Matlab-Simulink. Il modello, validato mediante i dati reperibili in letteratura, permette di simulare la curva di prima magnetizzazione e il ciclo di isteresi per materiali ferromagnetici soft mediante la conoscenza di un set limitato di dati sperimentali ricavabili dalle prove magnetiche. Il modello è stato impiegato per eseguire la simulazione anche su campioni prodotti industrialmente in acciaio al silicio a grano non orientato forniti allo stato fully-processed M470-50A preventivamente sottoposti a caratterizzazione microstrutturale, mediante microscopia ottica, elettronica e analisi EBSD, e meccanica, attraverso le prove di trazione. I risultati ottenuti dalla simulazione presentano ottimale accuratezza, in particolar modo nel caso statico sia in termini di estrazione dei parametri sia di definizione del ciclo; risulta ancora da migliorare ulteriormente il grafico in frequenza. Al fine di rendere fruibile il modello realizzato è stata progettata una Graphical User Interface. Nell’ottica di una mobilità green in accordo con gli obiettivi globali, l’implementazione del presente modello pone quindi le basi per uno studio futuro del comportamento dei materiali magnetici per la realizzazione di motori elettrici sempre più performanti in funzione dei parametri di produzione e delle condizioni di utilizzo, aspetti che incidono notevolmente sulle proprietà di tale materiale.

Analisi delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura e stoccaggio

Oggi si sta assistendo sempre più ad un consumo maggiore di energia, proveniente soprattutto da fonti fossili. Tuttavia, occorre evidenziare l’aspetto negativo correlato a tutto questo: l’incremento del rilascio di gas ad effetto serra, responsabili del fenomeno del surriscaldamento globale. La Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS) è stata riconosciuta come tecnologia strategica per raggiungere l’obiettivo dell’azzeramento delle emissioni entro il 2050. Lo scopo della tesi è effettuare la valutazione delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura, esprimendole in termini di distanze di danno per l’uomo e per le apparecchiature. Dopo il Capitolo 1, dal carattere introduttivo e in cui si spiega il perché si renda necessaria la cattura della CO2, il Capitolo 2 fornisce i valori di pericolosità della CO2 relativi agli effetti tossici e termici, in termini di concentrazioni e temperature soglia; inoltre, illustra i codici DNV PHAST, NIST FDS e Ansys FLUENT, utilizzati per effettuare la valutazione delle conseguenze. A seguire, il Capitolo 3 presenta un impianto di cattura della CO2 assunto come caso di studio, fornendo la descrizione del funzionamento dell’impianto e riportandone i documenti principali, quali il PFD e la mappa del layout. Inoltre, vengono individuati gli scenari di rilascio e sono specificate le condizioni ambientali considerate ai fini della modellazione della dispersione. Il Capitolo 4 riporta i risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate con i software di modellazione illustrati nel Capitolo 2, effettuando un’analisi comparativa delle distanze di danno, corredata di un’ampia discussione. Il Capitolo 5, infine, riporta le considerazioni conclusive del lavoro di tesi e delinea alcuni possibili sviluppi futuri delle indagini.

Progetto preliminare di una camera a vuoto per il test di propulsori al plasma

L'obiettivo della seguente tesi è realizzare il progetto preliminare di una camera a vuoto adatta al test di propulsori elettrici in generale. Di seguito, vengono analizzati i principali vantaggi e svantaggi delle tecnologie maggiormente utilizzate nei sistemi per l'alto vuoto, i criteri per la scelta del tipo di architettura di pompaggio più adatta e per il dimensionamento delle pompe. La ricerca di alcuni test, presenti in letteratura, permette di avere parametri di riferimento in base al tipo e alla potenza dei thruster utilizzati. Tramite l'analisi strutturale di una camera sottoposta a pressione esterna è possibile ricavare dimensioni e spessore delle pareti; viene, poi, realizzato un disegno CAD della camera e verificato il dimensionamento strutturale, simulando il carico di pressione esterna, tramite un'analisi FEM-FEA utilizzando il software Solidworks. Infine, vengono elencate le caratteristiche finali della camera a vuoto e, tramite lo studio di modelli matematici che permettono di studiare e quantificare i principali fattori di perdita (outgassing, infiltrazione, throughput del thruster ecc.), si ricava la curva della pressione rispetto al tempo del sistema completo.

Monte Carlo simulation of the basic features of the GE Millennium MG single photon emission computed tomography gamma camera

Objective - To describe and validate the simulation of the basic features of GE Millennium MG gamma camera using the GATE Monte Carlo platform. Material and methods - Crystal size and thickness, parallel-hole collimation and a realistic energy acquisition window were simulated in the GATE platform. GATE results were compared to experimental data in the following imaging conditions: a point source of 99mTc at different positions during static imaging and tomographic acquisitions using two different energy windows. The accuracy between the events expected and detected by simulation was obtained with the Mann–Whitney–Wilcoxon test. Comparisons were made regarding the measurement of sensitivity and spatial resolution, static and tomographic. Simulated and experimental spatial resolutions for tomographic data were compared with the Kruskal–Wallis test to assess simulation accuracy for this parameter. Results - There was good agreement between simulated and experimental data. The number of decays expected when compared with the number of decays registered, showed small deviation (≤0.007%). The sensitivity comparisons between static acquisitions for different distances from source to collimator (1, 5, 10, 20, 30cm) with energy windows of 126–154 keV and 130–158 keV showed differences of 4.4%, 5.5%, 4.2%, 5.5%, 4.5% and 5.4%, 6.3%, 6.3%, 5.8%, 5.3%, respectively. For the tomographic acquisitions, the mean differences were 7.5% and 9.8% for the energy window 126–154 keV and 130–158 keV. Comparison of simulated and experimental spatial resolutions for tomographic data showed no statistically significant differences with 95% confidence interval. Conclusions - Adequate simulation of the system basic features using GATE Monte Carlo simulation platform was achieved and validated.

Generación y reacciones en fase gaseosa de radicales pequeños de interés en los procesos de deposición de silicio y derivados y en la química atmosférica

Los radicales libres juegan un papel importante como intermediarios en muchas reacciones químicas, como aquéllas involucradas en la combustión, en la atmósfera y en el espacio interestelar. El interés en los radicales libres ha crecido como resultado de la aplicación de las técnicas láser. (...) (...) Otra razón es su importante rol en la química de la atmósfera en relación a los problemas ambientales y su papel en los procesos de oxidación de moléculas orgánicas, en la química de la combustión y en la química atmosférica. Por esto es importante medir los coeficientes de velocidad para estas reacciones y comprender los mecanismos de reacción involucrados. (...) La aplicación de láseres al procesamiento de materiales para producir polvos y recubrimientos cerámicos de utilidad en microelectrónica, medicina, etc., ofrece una nueva tecnología con ventajas respecto de los métodos convencionales. SiH4 y sus derivados reciben atención debido a su importancia en la industria de los semiconductores. Sin embargo hay poca información disponible sobre los procesos químicos elementales de esta molécula. (...) En síntesis, es necesario conocer la reactividad y la cinética de los radicales del Si facilitará, a los fines de facilitar la construcción de mecanismos de deposición; el depósito de películas muy finas de Si y sus derivados a partir de distintos tipos de precursores en fase gaseosa, es de vital importancia en la tecnología moderna. (...) El proyecto comprende el estudio de las fluorescencias infrarroja y visible producidas por las especies generadas por la descomposición de silano (SiH4) por irradiación láser en fase gaseosa. Se estudia la generación de radicales, principalmente SiH2 y SiH3, a partir de precursores adecuados y sus reacciones con el objeto de obtener parámetros cinéticos y mecanismos de reacción que contribuyan al modelado de los procesos de deposición de metales y semiconductores. Se completará el montaje y calibración de un sistema de fotólisis pulsada con detección por fluorescencia de resonancia en flujo lento para el estudio de reacciones de átomos y radicales pequeños con compuesos de interés atmosférico.