Grupy piątkowe:

• 16.15 –  17.45
• 18.00 – 19.30

Zestawy zadań (PDF):

• Zestaw 1
• Zestaw 2
• Zestaw 3
• Zestaw 4
• Zestaw 5

Krzysztof Panas

„Oscylacje neutrin na krótkim dystansie – poszukiwania czwartej rodziny leptonowej”

Eksperyment nazwany w skrócie SOX (Short distance Oscillations with boreXino), będzie mógł dokonać potwierdzenia lub całkowitego wykluczenia tak zwanych anomalii neutrinowych. Jest to zbiór odkrytych sygnałów, które wskazują na zanik (deficyt) neutrin elektronowych w eksperymentach LSND, MiniBoone, w eksperymentach rejestrujących neutrina reaktorowe oraz w detektorach neutrin słonecznych wykorzystujących gal (GALLEX, SAGE). Interpretacja takich faktów doświadczalnych jest bardzo złożona ale również intrygująca. Wyniki mogą być interpretowane przy użyciu modeli uwzględniających występowanie neutrin sterylnych. Celem pracy licencjackiej będzie opis teoretyczny modelu oscylacji neutrin przy uwzględnieniu czwartej rodziny leptonowej. Dokonane zostanie porównanie wyników dotychczasowych eksperymentów z przewidywaniami tak egzotycznego modelu.

„Astronomia neutrin słonecznych – aktualny stan badań”

W ostatnich latach współpraca BOREXINO dokonała pomiaru (w czasie rzeczywistym) strumieni słonecznych neutrin ⁷Be, pep  (praca wyróżniona przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne) i ⁸B dla obniżonego do 3 MeV progu detekcji. W najbliższym czasie opublikowane zostaną również wyniki pomiaru strumieni neutrin typu pp. Praca licencjacka będzie dotyczyć podsumowania dotychczasowych wyników eksperymentu BOREXINO oraz wszystkich innych historycznych pomiarów neutrin słonecznych. Dotychczas strumienie neutrin słonecznych zostały również zmierzone: w eksperymencie chlorowym w Homestake, GALLEX w Gran Sasso, SuperKamiokande w Japonii oraz SNO w Kanadzie. W pracy podjęty zostanie również problem istotności pomiaru neutrin pochodzących z cyklu CNO przy weryfikacji poprawności modelu Słońca.

Prace magisterskie:

„Symulacje oscylacji niskoenergetycznych neutrin w europejskim projekcie SOX”

W ramach projektu SOX, którego celem jest badanie oscylacji neutrin na krótkim dystansie, planujemy opracować nowy pakiet oprogramowania, poświęcony symulacji oddziaływań neutrin z uwzględnieniem ich oscylacji do czwartej rodziny leptonowej (nowe moduły zamierzamy zaimplementować w ramach G4Bx – kodu Monte Carlo używanego przez wszystkich członków współpracy). Celem pracy magisterskiej będzie identyfikacja optymalnego położenia geometrycznego sztucznego źródła neutrin tak aby osiągnąć maksymalną czułość układu detekcyjnego. Zadanie to będzie polegać na obliczaniu dla każdego zestawu parametrów mieszania, odpowiednich funkcji zmian intensywności oddziaływań na skutek zaniku pewnej części strumienia w procesie oscylacji.

„Poszukiwanie sygnału neutrin słonecznych, powstających w cyklu CNO, w eksperymencie BOREXINO”

Głównym celem projektu BOREXINO jest badanie własności niskoenergetycznych neutrin przy wykorzystaniu niskotłowego spektrometru neutrinowego.  W najbliższych latach jednym z najważniejszych zadań będzie pomiar strumienia neutrin CNO oraz  kontynuacja rejestracji neutrin pp, ⁷Be oraz ⁸B. Celem pracy magisterskiej będzie stworzenie nowego narzędzia (C++ wraz z bibliotekami środowiska ROOT) przy pomocy którego będzie możliwe wykonywanie fitów, zakładających różne wartości strumieni oraz poziomu tła detektora, w pełnym zakresie energetycznym widma. Nowe oprogramowanie posłuży głównie do identyfikacji odziaływań neutrin, które powstają w cyklu słonecznym typu CNO.

„Budowa i testowanie systemu źródeł ²²²Rn przeznaczonych do kalibracji układów detekcyjnych”

Badania emanacji radonu (²²²Rn) mają fundamentalne znaczenie dla eksperymentów poszukujących rzadkich procesów jądrowych, takich jak podwójny bezneutrinowy rozpad beta czy oddziaływania cząstek ciemnej zimnej materii. W Zakładzie Doświadczalnej Fizyki Komputerowej oraz w laboratorium podziemnym w Gran Sasso we Włoszech pracuje szereg  ultraczułych detektorów radonu, które wymagają okresowej kalibracji. W ramach proponowanej pracy zostanie zbudowany oraz przetestowany system źródeł ²²²Rn o różnych aktywnościach, za pomocą którego wykonana zostanie kalibracja ww. detektorów.

„Badanie nowatorskiego kriogenicznego detektora radonu: pomiary tła, wydajności detekcji oraz wyznaczenie minimalnej mierzalnej aktywności.”

W Zakładzie Doświadczalnej Fizyki Komputerowej zbudowano unikatowy detektor radonu oparty o jego niskotemperaturową adsorpcję. Aparatura ta pozwala na niezwykle czułe pomiary aktywności ²²²Rn oraz ²²⁰Rn emanowanego z różnego typu próbek. Głównym celem pracy będzie dokładne określenie tła detektora, wydajności detekcji radonu oraz wyznaczenie minimalnej mierzalnej aktywności. Wykonany zostanie także bezpośredni pomiar koncentracji ²²²Rn w argonie wykorzystywanym w eksperymencie DARKSIDE (poszukującym cząstek ciemnej zimnej materii).

„Charakterystyka niskotłowego spektrometru alfa opartego o półprzewodnikowy detektor promieniowania jonizującego: pomiary tła, wydajności detekcji oraz wyznaczenie minimalnej mierzalnej aktywności.”

W ramach proponowanego tematu zbudowany zostanie spektrometr alfa oparty o detektor półprzewodnikowy o dużej powierzchni. Posłuży on do badania powierzchniowej aktywności alfa próbek materiałów wykorzystywanych do budowy detektorów neutrin, ciemnej materii oraz podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. Tematem pracy będzie konstrukcja i określenie parametrów spektrometru oraz wykonanie pomiarów dla wybranych próbek.

„Charakterystyka systemu komór próżniowych przeznaczonych do badań śladowej emanacji radonu. Pomiary emanacji ²²²Rn i ²²⁰Rn dla wybranych próbek materiałowych”

Badania emanacji radonu ²²²Rn mają fundamentalne znaczenie dla eksperymentów poszukujących rzadkich procesów jądrowych, takich jak podwójny bezneutrinowy rozpad beta czy oddziaływania cząstek ciemnej zimnej materii. Zakład Doświadczalnej Fizyki Komputerowej posiada unikatową aparaturę pozwalającą na niezwykle czułe pomiary emanacji ²²²Rn oraz ²²⁰Rn z materiałów konstrukcyjnych detektorów stosowanych do badania ww. procesów.  Tematem pracy będą pomiary tła komór o dużej objętości, wydajności detekcji izotopów radonu oraz wyznaczenie ich minimalnej mierzalnej aktywności. Przebadane zostaną także wybrane próbki materiałowe.

„Badania niskotemperaturowej emanacji i adsorpcji radonu”

W ramach proponowanego tematu przeprowadzone zostaną pomiary emanacji radonu z metalowego źródła powierzchniowego w funkcji temperatury oraz jego adsorpcji. Badania te mają ogromne znaczenie dla eksperymentów poszukujących rzadkich procesów jądrowych i wykorzystujących detektory oparte o gazy kriogeniczne. Wynika to z faktu, że emanacja radonu z podzespołów detektora, badana zazwyczaj w temperaturach pokojowych, może mieć zupełnie inny przebieg w temperaturach ciekłego azotu/argonu. Różnice te będą miały bezpośredni wpływ na poziom tła danego detektora.

„Badania procesów neutralizacji naładowanych pochodnych radonu w gazowym azocie, argonie i ksenonie w funkcji czystości powyższych gazów”

Eksperymenty poszukujące rzadkich procesów jądrowych często oparte są o detektory oddziaływań, których komponenty znajdują się na wysokim potencjale elektrycznym (np. detektory germanowe, komory dryfowe). W powstających polach elektrycznych mogą być transportowane jony będące źródłem niepożądanego tła. Tematem pracy są komplementarne badania izotopów promieniotwórczych produkowanych w szeregach ²²²Rn i ²²⁰Rn. W wyniku wysokoenergetycznych rozpadów jądrowych powstają naładowane jony promieniotwórcze. W postaci zjonizowanej izotopy mogą być transportowane na znaczne odległości przy pomocy pól elektrycznych, w szczególności w kierunku objętości aktywnej eksperymentu. W ramach pracy badane będą podstawowe parametry transportu i neutralizacji jonów (średni czas neutralizacji, mobilność) w funkcji czystości gazów.

„Przygotowanie oprogramowania dla szybkiej, wielokanałowej karty przetwornika analogowo-cyfrowego pozwalającego na akwizycję danych z detektorów promieniowania jądrowego”

Zakład Doświadczalnej Fizyki Komputerowej posiada aparaturę do szybkiej akwizycji danych (wielokanałowe przetworniki Flash-ADC). Celem pracy jest opracowanie oprogramowania do kontroli akwizycji danych i ich wstępnej analizy. W skład pakietu wchodzi interfejs użytkownika (GUI, C++/C#), moduł komunikacji z urządzeniem (szyna PCI-E albo łącze optyczne, C++/C#), moduł zapisu strumienia danych (z wykorzystaniem bibliotek do strumieniowego zapisu danych o dużej przepustowości, BOOT, C++), moduł wstępnej analizy danych (analiza energii impulsu oraz histogramowanie, CUDA), moduł kontroli jakości danych (analiza danych pod kątem zawartości szumów, poziomu bazowego etc., C++, CUDA), moduł bazy danych (przechowuje podstawowe informacje o pomiarze oraz stowarzyszone informacje o plikach z danymi, MySQL itp.).

„Przygotowanie oprogramowania dla analizatora wielokanałowego”

Celem pracy jest stworzenie oprogramowania dla mikrokontrolera wbudowanego w istniejącym analizatorze wielokanałowym oraz dodatkowo prostego interfejsu graficznego dla komputera osobistego. Oprogramowanie mikrokontrolera ma obsługiwać układ wykrywania przyjścia impulsu (peak detector), dokładny przetwornik ADC (12 – 16 bit) z uśrednianiem oraz histogramowanie uzyskanych wyników i śledzenie czasu martwego urządzenia. Komunikacja z urządzeniem może przebiegać za pośrednictwem interfejsu Ethernet lub USB oraz z użyciem ekranu dotykowego.

Praktyka semestralna:

„Metody wielowymiarowej analizy statystycznej w identyfikacji oddziaływań w detektorach germanowych typu koaksjalnego oraz BEGe”

Zadaniem postawionym w trakcie praktyki będzie opracowanie efektywnego filtra, który będzie umożliwiał analizę kształty impulsów od zdarzeń rejestrowanych w niskotłowych detektorach germanowych. Nasza grupa opracowuje tego typu filtry i zastosowała je z powodzeniem w ubiegłych latach do polepszenia czułości eksperymentu GERDA. Praktykant będzie miał okazje zapoznać się i rozwijać oprogramowanie, które dokonuje klasyfikacji statystycznej rejestrowanych zdarzeń przy wykorzystaniu metod wielowymiarowej analizy statystycznej. W przypadku opracowania nowego, dużo bardziej efektywnego algorytmu, wyniki prac będą mieć bezpośredni wpływ na wyniki aktualnie wykonywanych eksperymentów w którym bierze udział nasza grupa t.j. BOREXINO, GERDA oraz DarkSide.

Prezentacja Zakładu Doświadczalnej Fizyki Komputerowej [pdf] 7.5 MB

⇒ Aktualne propozycje tematów prac licencjackich ⇐

⇒ Aktualne propozycje tematów prac magisterskich ⇐

W Zakładzie Doświadczalnej Fizyki Komputerowej prowadzone są badania dotyczące najważniejszych problemów współczesnej fizyki cząstek elementarnych, astrofizyki i fizyki jądrowej. Fizycy z ZDFK biorą udział w dużych międzynarodowych projektach, min. Borexino (rejestracja niskoenergetycznych neutrin słonecznych), GERDA (poszukiwania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta) oraz DarkSide (poszukiwania oddziaływań ciemnej zimnej materii). Zakład prowadzi także badania związane z naturalnymi izotopami promieniotwórczymi, np. metodami detekcji ich ultraniskich aktywności, czy też technikami otrzymywania ultraczystych materiałów.

Prowadzimy również badania nad zastosowaniem systemów mikroprocesorowych w akwizycji, przesyłaniu, przetwarzaniu i analizie danych doświadczalnych.

W ramach działalności prowadzonej w ZDFK oferujemy możliwości wykonania prac licencjackich, magisterskich oraz doktorskich dotyczących następujących zagadnień:

Eksperyment Borexino:

- analiza danych eksperymentalnych: poszukiwania charakterystycznych dla rozpadów promieniotwórczych naturalnych radioizotopów (²²²Rn, ²²⁰Rn, ⁸⁵Kr, ³⁹Ar) korelacji czasowo-przestrzennych oraz analiza rejestrowanego przez detektor widma energetycznego

Eksperyment GERDA:

- czynny udział w budowie, uruchamianiu i pomiarach wykonywanych przy pomocy detektora LArGe (1 m³ ciekłego argonu obserwowanego przez 9 fotopowielaczy z zanurzonym nieosłoniętym detektorem Ge): analiza widm z detektora Ge i detektora argonowego, analiza kształtu impulsów z detektora germanowego, identyfikacja zdarzeń pochodzących od zakłóceń;

- symulacje komputerowe detektora LArGe (z wykorzystaniem pakietu GEANT4, symulacje odpowiedzi detektora na różne typy promieniowania, analiza (anty)koincydencji pomiędzy detektorem germanowym i argonowym);

- analiza danych z eksperymentu GERDA;

- prace nad redukcją tła fazy II. eksperymentu GERDA: badanie zachowania się gazów szlachetnych w gazach kriogenicznych (adsorpcja z fazy ciekłej/gazowej), badania adsorpcji radonu w funkcji temperatury, badania mobilności i czasu życia jonów promieniotwórczych w gazach szlachetnych;

- stworzenie teoretycznego modelu procesu oczyszczania (trawienie, elektropolerowanie) powierzchni metalowych z izotopów Pb, Bi oraz Po (w oparciu o dane eksperymentalne).

Badania ultraniskich aktywności naturalnych radioizotopów:

- uruchomienie i opracowanie charakterystyki (pomiary wydajności detekcji, tła, wyznaczenie minimalnej mierzalnej aktywności powierzchniowej) ultraniskotłowego spektrometru alfa;

- pomiary jednoczesnej emanacji izotopów radonu ²²²Rn i ²²⁰Rn (w funkcji temperatury) z różnych materiałów przy użyciu kriogenicznego detektora radonu;

- modelowanie (komputerowe symulacje działania) oraz budowa niskotłowego detektora gazowego służącego do analizy emisji cząstek alfa z próbek o dużych powierzchniach (~ 1 m²);

- opracowanie software’u do analizy danych pomiarowych dotyczących dyfuzji i rozpuszczalności radonu w foliach polimerowych;

- opracowanie oprogramowania do akwizycji danych z wykorzystaniem szybkiej (400 MHz) dwukanałowej karty ADC (tzw. Transientrecorder);

Część prac prowadzona będzie w LNGS we Włoszech (gdzie znajduje się detektor BOREXINO, GERDA, LArGe oraz DarkSide) oraz innych zagranicznych instytucji, z którymi współpracujemy:

- Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), Assergi, Włochy
- Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), Heidelberg, Niemcy
- Technische Universität München (TUM), Monachium, Niemcy
- Universität Dresden (UD), Drezno, Niemcy
- Institute for Reference Materials and Measurements (IRMM), Geel, Belgia

Szczegółowych informacji udzielają pracownicy naszego Zakładu.

Tematy ćwiczeń do wyboru

1. RS232 - Standard komunikacji szeregowej (najczęściej w trybie asynchronicznej transmisji) w systemach przemysłowych i telekomunikacyjnych. Pomimo systematycznego wprowadzania szybszej magistrali USB wiele istniejących urządzeń, szczególnie w przemyśle, działa wykorzystując do transmisji danych i sterowania interfejs RS232.

a) Budowa i konfiguracja ramki danych oraz charakterystyka elektryczna sygnałów danych i sterujących;
b) Budowa i znaczenie rejestrów układu 8250 (16450) oraz zasady ich programowania;
c) Konfiguracja interfejsu, nadawanie i odbiór danych z wykorzystaniem 4 różnych metod jego obsługi: funkcji BIOS-u, funkcji DOS-u, portów wejścia-wyjścia oraz funkcji API systemu Windows.

Oprócz komputera w ćwiczeniu należy wykorzystać jedno z następujących urządzeń wyposażonych w interfejs RS232:

- oscyloskop cyfrowy TDS220;
- multimetr cyfrowy METEX;
- czytnik kart Smart Card;
- modem radiowy R4P;
- czytnik kart MMC/SD;

2. LPT – interfejs komunikacji równoległej, służący do komunikacji komputera z drukarką, skanerem lub sterowanie innymi urządzeniami.

a) Budowa i znaczenie rejestrów,
b) Tryby pracy interfejsu, dostęp do rejestru FIFO,
c) Wybór trybu pracy i komunikacja z wykorzystaniem 4 różnych metod jego obsługi: funkcji BIOS-u, funkcji DOS-u, portów wejścia-wyjścia oraz funkcji API systemu Windows.

Oprócz komputera w ćwiczeniu należy wykorzystać jedno z następujących urządzeń wyposażonych w interfejs LPT:

- mini tomograf (cyfrowe skanowanie przekroju obiektu),
- czytnik linii papilarnych,
- testowanie układu ALU (74LS181N)
- sterowanie wyświetlaczem LCD (2×16 znaków).

3. ETHERNET – Powszechnie stosowana technika łączenia komputerów w sieci LAN.

a) Zasady nawiązywania połączeń pomiędzy urządzeniami, warstwa fizyczna interfejsu, odbiór i analiza zawartości ramki Link Code Word (LCW),
b) Wykorzystanie konwertera RS232-ETH do nawiązania komunikacji pomiędzy urządzeniem wyposażonym w interfejs RS232 (np. mikrokontroler Atmega8535) a komputerem przy wykorzystaniu sieci internetowej.
c) Zapoznanie z rejestrami popularnego układu RTL8019AS, uruchomienie modułu MM1an02 i nawiązanie przy jego pomocy łączności poprzez sieć internetową z komputerem (obsługa i programowanie rejestrów układu RTL poprzez interfejs LPT, przemysłową kartę I/O firmy Advantech lub prototypową kartę I/O8255).

4. SPI – Magistrala szeregowej transmisji synchronicznej do komunikacji mikrokontrolerów z urządzeń zewnętrznych (pamięci Flash, EEPROM, sterowniki ETHERNET).

a) Zapoznanie z rejestrami, formatem danych i organizacją przesyłania synchronicznego danych;
b) Wykorzystanie SPI do komunikacji komputera (LPT, karta I/O Advantech, I/O8255) z mikrokontrolerem Atmega8535.

5. USB – Szeregowa magistrala, umożliwiająca łączenie wielu urządzeń w struktury master-slave. Powszechnie wykorzystywana do komunikacji PC z urządzeniami zewnętrznymi.

a) Wykorzystanie interfejsu USB, jako wirtualnego łącza RS232 obsługiwanego przez funkcje wysokiego poziomu (dostęp do interfejsu przez driver i funkcje API systemu operacyjnego), rozwiązanie oparte na układzie scalonym FT232BM

6. I2C (TWI) – Szeregowa magistrala niskiej szybkości, służąca do komunikacji między procesorami a układami cyfrowymi niewymagającymi częstej i szybkiej obsługi np. pamięcią EEPROM, zegarem czasu rzeczywistego, kontrolery klawiatury, odczyt z czujników i przetworników A/C i C/A.

a) Rejestry interfejsu, przestrzeń adresowa, metoda adresowania urządzeń na magistrali, warstwa fizyczna interfejsu, budowa ramki danych,
b) Zapis i odczyt danych z komputera (wykorzystanie LPT lub I/O8255) do/z pamięci EEPROM AT24C0410PC za pomocą linii interfejsu I2C obsługiwanych bezpośrednio; test prędkości zapisu i odczytu pamięci,
c) Komunikacja procesora Atmega8535 z pamięcią EEPROM AT24C0410PC; zbudować konwerter RS232-I2C, czyli oprogramować mikrokontroler Atmega8535 tak, aby powstał z niego konwerter umożliwiający komunikowanie się.