Propozycje tematów prac licencjackich

1. Zaprojektowanie, budowa oraz testowanie układu wielokanałowego analizatora stanów logicznych w oparciu o ARDUINO

Opis: Celem pracy jest zaprojektowanie i budowa układu elektronicznego w oparciu o mikrokontroler klasy ATmega (ARDUINO) lub ARM, będącego analizatorem stanów logicznych.
Układ ma mieć możliwość synchronicznej rejestracji kilku (np. 2 – 16) przebiegów równocześnie. Dane pomiarowe mają być wizualizowane na komputerze PC po przesłaniu ich przez interface USB lub bezprzewodowo (WiFi).

Dodatkowe funkcje, realizowane przez analizator, to wybór źródła sygnału synchronizacji pomiaru (wewnętrzny zegar układu lub badany układ) oraz generowanie impulsów wyzwalających układ badany (zadana częstotliwość i czas trwania impulsu).
Urządzenie powinno mieć możliwość pracy z zadaną częstotliwością analizy, w przypadku użycia zewnętrznego źródła układ powinien mieć wbudowany programowalny podzielnik częstotliwości zewnętrznej. Program komputerowy, współpracujący z układem, powinien stanowić graficzny interface do analizatora, służący do zadawania parametrów pomiaru, graficznej prezentacji wyników oraz zapisywania wyników pomiarów do plików w postaci binarnej i tekstowej (należy przewidzieć możliwość kompresji danych).

Wymagania: Preferowani studenci chcący poznać metody doświadczalne fizyki komputerowej oraz informatyki stosowanej, posiadający podstawy programowania, inklinacje w kierunku pracy doświadczalnej w laboratorium fizycznym oraz elektronicznym.

Temat kierowany jest głównie do studentów specjalizacji: fizyka doświadczalna, informatyka stosowana

2. Zaprojektowanie, budowa oraz testowanie układu synchronizacji czasu pomiaru w przetworniku analogowo-cyfrowym z wykorzystaniem ARDUINO

Opis: Praca ma polegać na zaprojektowaniu układu elektronicznego w oparciu o mikrokontroler klasy ATmega (ARDUINO) lub ARM, będącego źródłem sygnału czasu rzeczywistego, generowanego w oparciu o moduł GPS/Galileo/GLONASS. Sterowanie oraz komunikacja z komputerem ma odbywać się jednym z łącz szeregowych, tj. RS-232, Ethernet lub USB 2.0. Oprogramowanie komputera PC ma umożliwiać sterowanie układem oraz odbierać i przetwarzać dane, w tym dekodować z danych czas pomiaru.

Wyniki uzyskane powinny być przedstawiane w postaci graficznej. Układ ma przetwarzać dane analogowe na postać cyfrową oraz do strumienia danych dołączać informację o znaczniku czasu. Należy opracować standard przesyłania danych, odporny na przerwanie strumienia danych i błędy komunikacji, oraz algorytm kodowania znacznika czasu.

W fazie testowania należy określić parametry graniczne działania takiego układu, w tym maksymalną szybkość próbkowania sygnału analogowego, ograniczenia strumienia danych, odporność na błędy komunikacji oraz dokładność znacznika czasu.

Wymagania: Preferowani studenci chcący poznać metody doświadczalne fizyki komputerowej oraz informatyki stosowanej, posiadający podstawy programowania, chęć pracy doświadczalnej z nowoczesnym sprzętem pomiarowym, a także w laboratorium elektronicznym.

Temat kierowany jest głównie do studentów specjalizacji: fizyka doświadczalna, informatyka stosowana

3. Zaprojektowanie, budowa i testowanie wielowejściowego licznika impulsów w oparciu o ARDUINO

Opis: Celem pracy jest zbudowanie wielowejściowego licznika impulsów przychodzących w standardzie TTL, który umożliwi ich zliczanie w kilku kanałach niezależnie oraz zliczanie liczby przypadków koincydencji pomiędzy poszczególnymi kanałami. Odbiór danych i sterowanie licznikiem odbywać się będzie poprzez łącze szeregowe (RS232, USB 2.0 lub TCP/IP).

Jednocześnie zostanie napisane oprogramowanie działające na komputerze klasy PC, które umożliwi wybór trybu pracy licznika, odbiór i zapis danych oraz prezentację graficzną wyników na ekranie komputera. Zmiana parametrów licznika musi obejmować w minimalnym rozwiązaniu: okres całkowania, dowolność w wyborze numerów zliczanych kanałów i ich liczby, tworzenie zmiennych koincydencyjnych (łączenie kanałów pary koincydencyjne).

W końcowym etapie pracy należy wykonać testy urządzenia w celu wyznaczenia jego rzeczywistych ograniczeń, a w szczególności: maksymalnej dopuszczalnej częstości rejestrowanych impulsów, maksymalnych dopuszczalnych parametrów zniekształceń impulsów wejściowych, dopuszczalnych czasów wzajemnych opóźnień impulsów tworzących pary koincydencyjne.

Wymagania: Preferowani studenci chcący poznać metody doświadczalne fizyki komputerowej oraz informatyki stosowanej, posiadający podstawy programowania, chęć pracy doświadczalnej w laboratorium fizycznym.

Temat kierowany jest głównie do studentów specjalizacji: fizyka doświadczalna, informatyka stosowana

Zagadnienia analizy danych

1. 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.

2. 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.

Propozycje tematów prac magisterskich

1. Oprogramowanie karty szybkiego dwukanałowego analizatora widma

Opis: Praca polega na stworzeniu oprogramowania karty szybkiego analizatora widma impulsów analogowych. Zadaniem programu jest analiza rejestrowanych kształtów impulsów, obsługa karty podczas wykonywania długoczasowych pomiarów oraz wyznaczanie widma energetycznego przy pomocy filtrów cyfrowych (metody DSP).
Program powinien składać się z trzech modułów: moduł sterowania kartą, moduł analizy danych, moduł serwera danych (w postaci graficznego interface’u użytkownika oraz proste www).

Moduł sterowania kartą powinien być tak zaprojektowany, aby umożliwiał nieprzerwaną pracę karty przez dłuższe okresy czasu i był odporny na ewentualne błędy w działaniu sprzętu. Moduł analizy danych powinien na bieżąco przetwarzać dane, które następnie będą zapisywane na twardym dysku, powinien mieć możliwość automatycznej kalibracji energetycznej widma.

Analiza ma polegać na określaniu przedziału energetycznego zarejestrowanego impulsu. Moduł serwera danych ma stanowić interface do pozostałych modułów, powinien umożliwiać sterowanie przebiegiem pomiaru (start i zatrzymanie zbierania danych, ustalenie zadanego czasu pomiaru, parametry pomiaru, np. czułość wejść, szybkość próbkowania, szerokość binów etc.) oraz manipulację otrzymanymi danymi (widmo w postaci graficznej – liczba zliczeń vs energia, zapis skompresowanych danych do pliku w formacie tekstowym i binarnym, statystyki, wyznaczanie tła etc.).

Wymagania: Preferowani studenci chcący poznać metody doświadczalne fizyki komputerowej oraz informatyki stosowanej, posiadający podstawy programowania, chęć zdobycia i poszerzenia wiedzy w zakresie cyfrowej analizy przebiegów czasowych (DSP).

Temat kierowany jest głównie do studentów specjalizacji: fizyka doświadczalna, informatyka stosowana

2. 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).

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

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

Opis: 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, BOOST), 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.).

Wymagania: Preferowani studenci chcący poznać zaawansowane metody doświadczalne fizyki komputerowej oraz informatyki stosowanej, posiadający podstawy programowania, chcący poszerzyć wiedzę w zakresie zarządzania dużymi zbiorami danych, szybkiej analizy (DSP) oraz zaawansowanych technik programistycznych.

Temat kierowany jest głównie do studentów specjalizacji: fizyka doświadczalna, informatyka stosowana

Zagadnienia analizy danych

1. 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.

2. 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.

3. 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.

Inne zagadnienia naukowe, realizowane w ZDFK w ramach eksperymentów Gerda, Borexino, DarkSide – tematyka prac licencjackich, magisterskich oraz doktorskich

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) i GERDA (poszukiwania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta). 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 oraz przygotowywane są GERDA i LArGe) oraz innych zagranicznych instytucji, z którymi współpracujemy.

Współpraca:

- 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.