Obiettivi Formativi

Fornire conoscenze sulla fisica delle interazioni di radiazioni non ionizzanti e ionizzanti con la materia nonché delle tecniche di analisi di laboratorio atte ad investigare i sistemi studiati. In particolare, fondamentali sono i seguenti argomenti: interazioni elettroni-materia;  interazioni ioni-materia; interazioni laser-materia; produzione di plasmi; fisica dei plasmi in equilibrio e in non equilibrio; rivelatori di radiazioni per spettrometria di massa e tempo di volo; codici di Simulazione e utilizzo di database di rete; tecniche di analisi e di trattamento di materiali.

Learning Goals

Provide knowledge of the physics of the interactions of non-ionizing and ionising radiation with matter as well as laboratory analysis techniques to investigate the systems studied. In particular, the following topics are fundamental: electron-matter interactions; ion-matter interactions; laser-matter interactions; production of plasma; plasma physics in equilibrium and in non equilibrium; radiation detectors for mass spectrometry and time of flight; simulation codes and use of network databases; materials analysis and processing techniques.

Metodi didattici

Lezioni frontali: 24 ore. Lezioni ed esercitazioni in laboratorio: 24 ore

Teaching Methods

Frontal lessons: 24 hours. Lectures and laboratory exercises: 24 hours

Prerequisiti

Conoscenze di fisica generale e di fisica quantistica, di metodi matematici e di tecniche numeriche per l’analisi dati e per la simulazione

Prerequisites

Knowledge of general physics and quantum physics, mathematical methods and numerical techniques for data analysis and simulation

Verifiche dell'apprendimento

Realizzazione di una tesina individuale su un argomento del programma. Utilizzo di una tecnica di simulazione e/o di ricerca su database di rete. Esame finale sotto forma di discussione orale.

Assessment

Realization of an individual dissertation on a topic of the program. Use of a simulation and / or search technique on network databases. Final exam in the form of an oral discussion.

Programma del Corso

Interazioni Fotoni-materia; Interazioni Elettroni-materia; Interazioni Ioni-materia; Programma esteso: 1.Interazioni fotoni-materia e sezioni d'urto Generatori di fotoni IR, Vis, UV , X e gamma, Scattering elastici ed anelastici, scattering Rayleigh and Thomson, Effetto Fotoelettrico e scattering Compton, produzione di Coppie, Bremsstrahlung e radiazioni discrete. Sezioni d’urto dei differenti processi. Tecniche di rivelazioni di UV, X e gamma. Applicazioni della interazione fotoni-materia. Tecniche di fluorescenza di raggi X caratteristici. Programmi CXRO e NIST per elaborazione dati. 2.Interazioni elettroni-materia e sezioni d'urto Generazione di fasci di elettroni, perdite di energia di elettroni, Bremsstralung, accelerazioni di elettroni da fasci laser, Bremsstrahlung diretto e inverso. Calcolo di sezioni d’urto. Acceleratori lineari, Tecniche di rivelazione di fasci di elettroni e loro utilizzo. Microscopia elettronica e programma di simulazione SREM. 3.Interazioni ioni-materia e sezioni d'urto Sorgenti di ioni, preparazione di fasci ionici, acceleratori di ioni, esperimento di Rutherford, Tecnica del Rutherford Backscattering spectrometry (RBS), tecnica di Elastic recoil detection analysis (ERDA), Tecniche di analisi con reazioni nucleari (NRA). Sezioni d’urto. Tecnica di analisi proton induced X-ray emission (PIXE). Stopping power elettronico e nucleare. Programma di simulazione SRIM e NIST databook. Sputtering ionico. Tecniche di rivelazione di ioni e loro distribuzione in energia. Applicazioni di fasci ionici. 4.Interazioni laser-materia e sezioni d'urto Sorgenti laser, caratterizzazione di sorgenti laser ad alta intensità, ablation yield , produzione di plasmi, parametri distintivi di un plasma, tecniche di misura in plasmi di breve durata, Bremsstralung inverso. Tecnica a tempo di volo, spettroscopia ottica, Ion energy analyzer, Spettrometria a parabola di Thomson, plasmi in backward e forward (TNSA), tecniche con rivelatori a semiconduttore e con rivelatori a film dicroico. Spettrometria di massa. Tecniche laser per trattamento ed analisi di materiali, reazioni di fusione in plasmi laser, tecnica di accelerazione di ioni in plasmi laser. 5.Tecniche di analisi di Laboratorio Spettroscopia ottica, spettroscopia a raggi X caratteristici, spettroscopia gamma. Rivelazione a tempo di volo, Parabola di Thomson, spettrometria di massa. 6.Applicazioni Impiantazione ionica, Analisi RBS, Analisi ERDA, Analisi NRA, Proton-terapia usando plasmi laser, Sorgenti LIS, Nuove Tecniche di accelerazione, apparati di misura per plasmi laser. 7.Programmi di simulazione SRIM, SREM, CXRO, Database NIST. 8.Misure in Laboratorio Interazione laser-materia – Preparazione set-up per applicazioni laser, Produzione di Plasmi in aria , in gas e in vuoto, Misure di ablation yield, Misure TOF, Misure MQS, Misure XRF, uso di differenti rivelatori, misure di dose, misure ottiche di assorbanza, trasmittanza, riflettanza e scattering per fasci laser. Interazioni Laser-materia; Produzione di plasmi; Fisica dei plasmi in equilibrio e in non equilibrio; Rivelatori di radiazioni per spettrometria di massa e tempo di volo; Simulazione e utilizzo di database di rete; Tecniche di analisi e di trattamento di materiali.

Course Syllabus

Photon-material interactions; Electron-matter interactions; Ion-matter interactions; Laser-matter interactions; Plasma production; Physics of plasmas in equilibrium and non-equilibrium; Radiation detectors for mass spectrometry and flight time; Simulation and use of network databases; Analysis and treatment techniques for materials. Extended Program: 1. Photon-matter interactions and cross sections IR, Vis, UV, X and gamma photon generators, Elastic and inelastic scattering, Rayleigh and Thomson scattering, Photoelectric effect and Compton scattering, Pair production, Bremsstrahlung and discrete radiation. Cross sections of the different processes. UV, X and gamma detection techniques. Applications of photon-matter interaction. Characteristic X-ray fluorescence techniques. CXRO and NIST programs for data processing. 2. Electron-matter interactions and cross sections Generation of electron beams, electron energy losses, Bremsstralung, electron accelerations from laser beams, direct and inverse Bremsstrahlung. Calculation of cross sections. Linear accelerators, electron beam detection techniques and their use. Electron microscopy and SREM simulation program. 3. Ion-matter interactions and cross sections Ion sources, ion beam preparation, ion accelerators, Rutherford experiment, Rutherford Backscattering spectrometry (RBS) technique, Elastic recoil detection analysis (ERDA) technique, Nuclear reaction analysis techniques (NRA). Cross sections. Proton induced X-ray emission (PIXE) analysis technique. Electronic and nuclear stopping power. Simulation program SRIM and NIST databook. Ionic sputtering. Ion detection techniques and their distribution in energy. Ion beam applications. 4. Laser-matter interactions and cross sections Laser sources, characterization of high intensity laser sources, ablation yield, plasma production, distinctive parameters of a plasma, measurement techniques in short duration plasmas, inverse Bremsstralung. Time-of-flight technique, optical spectroscopy, Ion energy analyzer, Thomson's parabola spectrometry, backward and forward plasmas (TNSA), techniques with semiconductor detectors and dichroic film detectors. Mass spectrometry. Laser techniques for treatment and analysis of materials, fusion reactions in laser plasmas, ion acceleration technique in laser plasmas. 5. Laboratory analysis techniques Optical spectroscopy, characteristic X-ray spectroscopy, gamma spectroscopy, Time of flight detection, Thomson parabola, mass spectrometry. 6. Applications Ionic implantation, RBS analysis, ERDA analysis, NRA analysis, Proton-therapy using laser plasmas, LIS sources, new acceleration techniques, measuring devices for laser plasmas. 7. Simulation programs SRIM, SREM, CXRO, NIST database. 8. Laboratory measurements Laser-matter interaction - Set-up preparation for laser applications, Plasma Production in air, gas and vacuum, ablation yield measurements, TOF measurements, MQS measurements, XRF measurements, use of different detectors, dose measurements, optical absorbance measurements, transmittance, reflectance and scattering for laser beams.