Mag- és neutronfizika
4. elıadás
Sugárzás és anyag kölcsönhatása: (ismétlés, összefoglalás) Elektromosan töltött részek közvetlenül ionizálnak (elektronok, protonok, nagy energiájú atommagok) Ionizáció jellemzıje: dE/dx (Linear Energy Transfer,LET) Transfer,LET) Elektromosan semleges részecskék közvetve ionizálnak GammaGamma-sugárzás: fotoeffektus, fotoeffektus, ComptonCompton-szórás, szórás, párkeltés (nagy energiájú elektronokat kelt) NeutronNeutron-sugárzás: rugalmas szórás, atommagatommag-reakció (nagy energiájú protonokat/atommagokat kelt)
Az anyagban leadott energia következményei lehetnek: • ionizáció ionizációs kamra, GMGM-csı • kémiai ill. fizikofotoemulzió, ködkamra… fiziko-kémiai változás • atomok/molekulák gerjesztése, majd a legerjesztıdést követı fényfelvillanás (szcintilláció) szcintillációs detektorok • elektronfélvezetı detektorok elektron-lyuk párok keltése félvezetıkben Sugárzás áthatolóképessége Érzékelés bonyolultsága Nehéz, Nagyon kicsi Nehéz, mivel a sugárzás már a detektor érzékeny térfogatába (pl. kis energiájú β, jutás elıtt elnyelıdik vagy α-részek) Nagyon nagy (pl. neutrínók, vagy nagyon nagy energiájú részecskék)
Detektorok •Mőködésük a sugárzásnak az anyaggal való kölcsönhatásán alapul. •Felerısítik a sugárzásnak az anyaggal való kölcsönhatásából fakadó jelet makroszkopikus méretőre.
Nehéz, Nehéz, mivel a sugárzásnak kicsi a LET értéke, ezért kis térfogatban nagyon kis energiát ad csak le. Hatalmas térfogatban (és sőrő anyagban) lehet csak detektálni
1/21
Detektálási hatásfok
Bonyolultabb geometria (kiterjedt forrás és/vagy detektor) esetén a geometriai hatásfok csak bonyolultabb számítással határozható meg.
Teljes detektálási hatásfok: (detektált részecskeszám) εteljes= (kibocsátott részecskeszám) A teljes detektálási hatásfok két részbıl áll: Geometriai hatásfok: hatásfok: Azt fejezi ki, hogy a forrásból kibocsátott részecskék közül nem mindegyik éri el a detektort. Pontszerő forrás és kis mérető, távoli detektor esetén egyszerően meghatározható: meghatározható: F εG = 4πR 2 Itt R a forrásforrás-detektor távolság, F pedig a detektor érzékeny felülete (a forráshoz húzott egyenesre merılegesen)
2/21
4π számláló: olyan detektor, amelyre εG = 1, azaz a forrásból kibocsátott minden részecske eléri a detektort! (Ezeknél általában a detektor körülveszi a forrást) Belsı (intrinsic (intrinsic)) hatásfok A detektor általában nem detektál minden ráesı részecskét. (a nagy hatótávolságú részecskék egy része áthalad a detektoron)
F R
(detektált részecskeszám)
εint= (detektort elérı részecskék száma) A teljes hatásfok tehát:
3/21
εteljes = εG ·εint
4/21
1
A detektorok csoportosítása Részecskék nyomait láthatóvá tevı detektorok
Részecskeszámlálók
• Fotoemulzió • Szilárdtest nyomdetektor • Ködkamra • Buborékkamra
• Gáztöltéső számlálók o Ionizációs kamra o proporcionális kamra o GeigerGeiger-Müller számláló (GM(GM-csı) • Szcintillációs számlálók • Félvezetı detektorok o HPGe (nagy tisztaságú germánium) o Ge(Li), Ge(Li), Si (Li) Li) detektorok o Felületi záróréteges detektorok
Részecskék nyomait láthatóvá tevı detektorok 1) Fotoemulzió: A radioaktivitás felfedezését (Becquerel, Becquerel, 1896) az tette lehetıvé, hogy a sugárzás hatására a fényképezılemez megfeketedett. radiográfia film doziméter mai hasznosítások Hogyan mőködik? A lemezben AgI és AgBr szemcsék vannak. • Az ionizáció hatására a molekulák szétesnek, és fém ezüst (Ag (Ag)) válik ki a részecske pályája mentén (látens kép) • Az „elıhíváskor” ezek a centrumok katalizátorként viselkednek, ezek körül egyre nagyobb mérető „blob” „blob”--ok alakulnak ki („jelerısítés”) . Ezek már mikroszkóppal láthatóak. • A „fixálás” a blobok növekedését megállítja
5/21
2) Szilárdtest nyomdetektor Hogyan mőködik? • Egyes szilárd szigetelıanyagokban a nagy LET értékő részecskék roncsolják az anyagot, szubmikroszkópikus anyaghibák keletkeznek (látens kép) • „Maratás”: a hibák körül gyorsabb oldódás („jelerısítés”), azaz mikroszkóppal is látható nyomok alakulnak ki. Leggyakoribb detektoranyagok: • CellulózCellulóz-nitrát. α-részecskékre is érzékeny. Környezeti hatásokra is érzékeny, emiatt külön kell kalibrálni. Marószer: NaOH. NaOH. • CellulózCellulóz-triacetát (CTA) és cellulózcellulóz-acetátacetát-butirát (CAB). Környezeti hatásokra kevésbé érzékeny. Marószer: NaOH. NaOH. • Polikarbonátok. Polikarbonátok. Mőanyagfólia alakjában készülnek. Csak nehézionok hagynak bennük nyomot. Marószer: NaOH • Egyes üvegek. Csak nehézionokat (A>32) detektál. Marószer: tömény HF. • Egyes ásványok (pl. csillám, olivin). olivin). Csak nehézionokat (A>28) detektál. Marószer: tömény HF, ill. NaOH, NaOH, KOH. 7/21
6/21
3) Ködkamra (C.T.R. Wilson 18691869-1959, NobelNobel-díj 1927) Hogyan mőködik? • Túltelített gızben megindul a köd lecsapódása az ionok, mint lecsapódási centrumok körül („jel erısítése”) • Vékony „ködfonal” alakul ki a részecske pályája mentén.
Részecskék képe ködkamrában 8/21
2
Részecskeszámlálók
4) Buborékkamra (D.A. Glaser 19261926-, NobelNobel-díj 1960) Hogyan mőködik? • Túlhevített folyadékban megindul a forrás az ionok, mint zavarcentrumok körül („jel erısítése”) • Vékony „buborékfonal” alakul ki az ionizáló részecske pályája mentén.
1. Gáz töltéső detektorok Hogyan mőködik? • Az ionizáló részecskék a gázban elektronelektron-ion párokat keltenek • A gázban lévı elektródok elektromos tere ezeket szétválasztja és begyőjti elektromos áramlökés keletkezik • Az elektromos áramlökést elektronikusan erısítjük • Az erısített impulzusokat feldolgozzuk (megszámláljuk, amplitúdójukat megmérjük stb.)
Összehasonlítva a ködkamrával: • anyagsőrőség nagyobb (folyadék) nagyobb hatásfok (kisebb LETLET-ő részecskék) • Hatalmas méreteket lehet készíteni nagyenergiájú részecskék detektálása
katód (-)
belépı ablak 9/21
Kétféle üzemmód: üzemmód: •ImpulzusImpulzus-üzemmód (számlálás, amplitúdómérés stb. ) •Folyamatos áram (nagy intenzitású sugárterek, pl. reaktor) Néhány fontos folyamat a gázban 1) A begyőjtés ellen dolgozik a rekombináció (ionok ismét találkoznak elektronokkal, és a már szétvált töltések újra egyesülnek) Emiatt elég nagy térerısség kell a töltések teljes begyőjtéséhez
+
e
kimenı jel (feszültséglökés)
töltıgáz anód (+)
R
vagy
A
telep 10/21 10/21
Néhány fontos folyamat a gázban (2) 2) Gázerısítés (lavina(lavina-folyamat) •Nagy térerısség az elektronok két ütközés között nagy mozgási energiát nyernek • másodlagosan ionizálnak, ionizálnak, új elektronelektron-ion pár keletkezik. • több töltést lehet begyőjteni, mint amit a detektált részecske választott szét eredetileg
feszültség impulzus
-
+ e
-
R
vagy
A
11/21 11/21
12/21 12/21
3
Folyamatos kisülés
E2 E3
Geiger-Müller tartomány
E1
Korlátozottan Prop. tartomány
Proporcionális tartomány
Ionizációs kamra tartománya
Rekombinációs tartomány
Begyőjtött töltés mennyisége
Ezek eredményeképpen a jelek amplitúdója (begyőjtött töltés mennyisége) a következıképpen függ a detektorra adott feszültségtıl (detektor karakterisztika) karakterisztika)
Feszültség
(E1 > E2 > E3 a bejövı részecske által a gázban leadott energia) ) energia 13/21 13/21
Neutrondetektorok (probléma: csak neutront számláljon, mást ne) 1) BF3 számláló Lényegében bórbór-trifluorid gázzal töltött proporcionális kamra. 10B+n 4He + 7Li + 2,79 MeV A keletkezett töltött részecskék (4He, ill. 7Li) kapják az energiát, erısen ionizálnak a gázban a kamra impulzust ad ki. 3 2) He számláló 3He gázzal töltött proporcionális kamra. 3He+n 3H + 1H + 0,76 MeV A keletkezett töltött részecskék (3H, ill. 1H) kapják az energiát, erısen ionizálnak a gázban a kamra impulzust ad ki. 3) Hasadási kamra proporcionális kamra, amelyben uránuránbevonatú lemezek vannak 235U +n hasadványok +neutronok + 200 MeV A hasadás során keletkezett nagy energiájú hasadványok erısen ionizálnak a gázban a kamra impulzust ad ki (áramot jelez). jelez). 15/21 15/21
A gáztöltéső detektorok típusai: • Ionizációs kamra minden elsıdleges töltést és iont begyőjtünk, de csak azt! Kis amplitúdójú jelek, jelek, nagy utóerısítés kell. Részecske által leadott energia mérésére alkalmas • Proporcionális kamra gázerısítés még a proporcionális tartományban nagyobb amplitúdójú jelek Energiamérésre alkalmas • GeigerGeiger-Müller számláló (GM(GM-csı) nagy gázerısítés, nagy amplitúdójú jelek amplitúdó független a gázban leadott energiától Energiamérésre nem alkalmas, alkalmas, csak részecske számlálásra 14/21 14/21
2. Szcintillációs detektorok Egyes anyagokban fényfelvillanás (szcintilláció) jön létre, ha energiát kapnak becsapódó részecskéktıl • Fluoreszcencia – azonnali fényfelvillanás (t < 10-18 s) • Foszforeszcencia – késleltetett fénykibocsátás (t > 10-18 s) Anyagát tekintve lehet • szilárd • folyadék • gáz • szervetlen • szerves Már a magfizika ıskorában is használták: „spinthariscope” spinthariscope” (1903 W. Crookes) Crookes) Felépítése: vékony ZnS (cinkszulfid) réteg, amelyet nagyító figyel A ZnSZnS-ban a becsapódó részecskék hatására felvillanások (szcintillációk) keletkeznek. 16/21 16/21
4
Szilárd, szervetlen (kristályos) szcintillátorok • Többségük ionkristály, valamilyen alkálihalogenid (alkáli fém és halogén vegyülete) o NaI(Tl) nátriumjodid (talliummal szennyezve) NaI(Tl) o CsI(Tl) céziumjodid CsI(Tl) o LiI(Eu) lítiumjodid (európiummal szennyezve) LiI(Eu) o CaF2(Eu) kalciumfluorid • Szennyezés igen kis mennyiségben (nyomokban) o a szennyezés az „aktiváló”, ez biztosítja a felvillanást o Pl. Eu a kristályban csak ezreléknyi mennyiségben van Kristályokból nagy méreteket lehet növeszteni Kettıs elıny: nagy atomsőrőség (szilárd) Nagy hatásfokú nagy méret detektor! A szcintillációt ma már nem szabad szemmel figyelik ! FotoelektronFotoelektron-sokszorozó (photomultiplier) photomultiplier)
17/21 17/21
A detektálás lépései (pl. γ-foton detektálása): • A γ-foton kölcsönhat a szcintillátor anyagával: energiát ad át egy elektronnak (Compton (Compton--szórás, szórás, fotoeffektus, fotoeffektus, párkeltés) • A keltett elektron az útja mentén energiát ad át a kristálynak (dE/dx) dE/dx) és megáll (vagy kiszökik, ha kicsi a kristály) • Az átadott energiára a kristály szcintillációval felel. Látható fotonok keletkeznek. A fotonok száma arányos az átadott energiával (!) • A keltett (látható) fotonok elhagyják a kristályt, és belépnek a fotoelektronfotoelektron-sokszorozóba 18/21 18/21
A fotoelektronfotoelektron-sokszorozó mőködésében két folyamat lényeges: • külsı fotoeffektus • szekunder elektronok 1) Külsı fotoeffektus
Foton ütközik egy elektronnal a fémben, és a teljes energiáját átadja neki
Eelektron = hv − Ekilépés Einstein ennek megmagyamegmagyarázásáért kapott NobelNobel-díjat 19221922-ben ! 2) Szekunder elektronok
Nagy energiájú elektronok újabb elektronokat ütnek ki A fotoelektronfotoelektron-sokszorozó tehát egy speciális „erısítı”: • nagy erısítéső (~106) • kis zajú 19/21 19/21
A mőködés lépései: lépései: •A beesı foton külsı fotoeffektussal kiváltja az elsı fotoelektront a fotokatód anyagából • az elektron gyorsul az elsı dinóda felé • a dinódára beesı gyors elektron szekunder elektronokat vált ki • ezek a következı dinóda felé gyorsulnak, és újabb szekunder elektronokat váltanak ki •…stb • végül az anódon begyőjtjük a sok elektront áramlökés
20/21 20/21
5
Becslés az áramlökés nagyságára: Tegyük fel, hogy az erısítés 106, azaz 1 elektronból 106 elektron lesz Az áramlökés ideje kb. 0,1 µs =10-7 s. Az áram átlagos nagysága: I = 106 ·1,6· 1,6·10-19/10-7 = 1,6· 1,6·10-6 A = 1,6 µA. Szcintillációs kristályt tartalmazó detektor felépítése
szcintillátor kristály (cserélhetı) Fotoelektron(α, ill. β-sugárzás detektálására Fotoelektron-sokszorozót + elektronikát tartalmazó ház vékony fémfóliával fedett)
21/21 21/21
6
