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Emulsioni nucleari
L’
emulsione nucleare è un
particolare tipo di emulsione fotografica impiegata per lo studio delle
particelle elementari.
Essa
è costituita principalmente da cristalli di bromuro d’argento (AgBr)
sospesi in gelatina organica.
Il
passaggio di una particella carica attraverso l’emulsione provoca la
ionizzazione dei cristalli di bromuro d’argento che, in seguito ad opportuni trattamenti chimici, danno
luogo alla formazione di grani anneriti, come è possibile osservare in
figura, del diametro tipico di 0.6 mm lungo la traiettoria.
Le
emulsioni vengono utilizzate sotto forma di sottili (da 50 a 300 mm)
depositi di gel su di un opportuno supporto di plastica che possono
essere osservati attraverso
un microscopio.
Questo
tipo di rivelatore, sviluppato nella prima metà del ’900, è ancora oggi
largamente utilizzato grazie all’ eccellente risoluzione spaziale (<
1 mm
) e alla messa a punto di sistemi di scansione completamente automatizzati che
permettono la scansione e l’analisi di grandi superfici di emulsione in
tempi molto brevi.
Il
microscopio
L’European Scanning System (ESS) è un sistema di misura
delle emulsioni nucleari sviluppato negli ultimi quattro anni
nell’ambito di un progetto di Ricerca & Sviluppo a cui hanno preso
parte tutti i laboratori europei di emulsioni che prendono parte
all’esperimento OPERA.
Diversamente
dai sistemi di misura sviluppati in passato, l’ESS si basa
esclusivamente sull’impiego di tecnologia commerciale sviluppata in
stretta collaborazione con le industrie del settore (Matrox, Mikrotron,
National Instr., Micos e Nikon
Instr.). In tal modo è stato possibile seguire i repentini progressi
tecnologici che hanno permesso, per esempio di aumentare la velocità di
misura da 1.0cm2/h del primo prototipo agli attuali circa
20.0cm2/h.
Il
microscopio è costituito da un piano orizzontale (stage) motorizzato equipaggiato con motori nano-stepper
letti da encoder lineari che permettono una estrema precisione di
posizionamento (~0.1mm).
Il
sistema ottico, invece, è
costituito da un illuminatore e un insieme di lenti posti al di sotto
dello stage, da un revolver
equipaggiato con differenti obiettivi con diverso potere di
ingrandimento ed una telecamera a CMOS entrambi sorretti da una slitta
collegata ad un braccio di granito che permette movimenti di elevata
precisione anche nel piano verticale.
Il
sensore a CMOS (mega-pixel di risoluzione) ed un obiettivo con p. i.
50x permettono di ottenere un campo di vista di 395x315 mm
corrispondente a circa 0.3x0.3 mm di emulsione per pixel.
Infine,
l’impiego di una telecamera con elevatissimo frame-rate (500 frames/s) e di un processore per
l’acquisizione e l’analisi di immagini
estremamente potente permettono di ottenere la velocità di
acquisizione richiesta. Tutto il sistema di misura (scheda motori,
scheda video) è montato su di un pc (xeon a doppio processore) di
ultima generazione.
Analisi
delle emulsioni
Il
controllo automatico del microscopio consente di acquisire, per ogni
singola zona di emulsione, una serie di immagini tomografiche a differenti livelli di
profondità, variando la distanza focale dell’obiettivo lungo l’intero
spessore di una lastrina.
L’elaborazione
di tali immagini permette di individuare sequenze allineate di grani ottenendo
una ricostruzione spaziale tridimensionale delle tracce lasciate
in emulsione da particelle cariche.
Mediante
l’analisi off-line delle
tracce misurate in fogli consecutivi, si possono individuare
interazioni di particelle con il bersaglio di emulsioni nucleari.
L’analisi è realizzata mediante fasi successive:
1.
intercalibrazione dei fogli
di emulsione attraverso la ricerca di pattern di tracce comuni
alle differenti lastrine e dei parametri di roto-traslazione;
2.
selezione delle sole tracce che si fermano all’interno del volume di
osservazione;
3.
ricerca di vertici di interazione e/o decadimento.
Una
peculiarità che rende l’impiego delle emulsioni nucleari in fisica
particolarmente affascinante è la possibilità osservare direttamente la traiettoria delle particelle
cariche che le attraversano e di conseguenza anche i processi che esse
subiscono sia interazioni che decadimenti. Infatti nella figura
seguente è mostrata una tipica interazione come può essere osservata in
emulsione.
OPERA PhD
thesis
De Serio Marilisa:
Ieva Michela:
http://www.ba.infn.it/~opera/Laboratorio_file/Ieva_PHD_thesis.pdf
Pastore Alessandra:
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