Detekcja promieniowania elektromagnetycznego czastek naładowanych i neutronów

Transkrypt

1 Detekcja promieniowania elektromagnetycznego czastek naładowanych i neutronów Marcin Palacz Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów UW Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 1 / 30

2 Rodzaje i źródła promieniowania Promieniowanie elektromagnetyczne: γ, X Elektrony: rozpad β, konwersja wewnętrzna, elektrony Auger, elektrony delta Ciężkie czastki naładowane Neutrony: Rozpad α: A Z X A Z Z 2 Y +4 2 α Spontaniczne rozszczepienie (fragmenty) p, α, oraz cięższe jadra produkowane (rozpraszane) na wiazce Spontaniczne rozszczepienie Źródła (α, n) np 4 2α Be 12 6 C n Źródła (γ, n) Produkty reakcji na wiazce Zakres energii: ev do kilkudziesięciu MeV (1 ev= J) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 2 / 30

3 Rodzaje promieniowania a detekcja Detekcja oddziaływanie promieniowania z materia. Promieniowanie z ładunkiem elektrycznym bez ładunku elektrycznego ciężkie czastki naładowane neutrony 10 5 m 10 1 m elektrony X i γ 10 3 m 10 1 m Promieniowanie z ładunkiem ciagłe oddziaływanie z elektronami w materiale. Promieniowanie bez ładunku (najpierw) jednokrotne, katastroficzne oddziaływanie. Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 3 / 30

4 Odziaływanie ciężkich czastek naładowanych Jednoczesne, ciagłe oddziaływanie w wieloma elektronami ośrodka, maksymalny jednokrotny transfer energii: 4Em e /m Produkcja elektronów δ Wzór Bethe (nierel.): de dx = 4πe4 z 2 m e v 2 n Z ln2m ev 2 I krzywa Bragga Zasięg Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 4 / 30

5 Odziaływanie elektronów procesy coulombowskie oraz radiacyjne: de dx = (de dx ) c + ( de dx ) r Zasięg: Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 5 / 30

6 Oddziaływanie neutronów oddziaływanie z jadrami: elastyczne i nieelastyczne rozpraszanie, wychwyt produktami oddziaływania sa ciężkie czastki naładowane najbardziej efektywny absorber: H Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 6 / 30

7 Podstawowe własności detektora W wyniku oddziaływania promieniowania z materiałem detektora generowany jest ładunek elektryczny (czas: ps to ns). Ładunek zebrany sygnał elektryczny (czas: ns to ms). 17-Apr-09 12:47: Parametry: Widmo energetyczne wydajność ǫ = N rej /N (wewnętrzna, absolutna) energetyczna zdolność rozdzielcza (FWHM) Widmo czasowe P/T = N pik /N total czasowa zdolność rodzielcza czas martwy liniowość Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 7 / 30

8 Rodzaje detektorów Przykłady rodzajów detektorów: gazowe detektory jonizacyjne scyntylatory detektory półprzewodnikowe Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 8 / 30

9 Gazowe detektory jonizacyjne Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 9 / 30

10 Scyntylatory Energia kinetyczna padajacej czastki zamieniana na światło (najlepiej: natychmiastowa fluorescencja). scyntylatory organiczne: zwiazki CH wzbudzenia elektronów w molekułach stałe i ciekłe scyntylatory nieorganiczne: wzbudzenia elektronów w strukturze krystalicznej wysoka gęstość i Z mniej światła higroskopijne Liniowość, szybka odpowiedź, kształt impulsu może zależeć od rodzaju czastki. Współpracuja z urzadzeniem wzmacniajacym światło i przekształcajacym je na sygnał elektryczny (fotopowielacz, fotodioda). Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 10 / 30

11 Przykład: scynt. detektor czastek naładowanych Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 11 / 30

12 Detektor półprzewodnikowy przejście czastki powoduje wytworzenie par elektron-dziura mała energia potrzebna do wytworzenia jednej pary nośników materiały: Si, Ge rozdzielczość energetyczna 0.1% wysoka gęstość, małe rozmiary Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 12 / 30

13 Przykład: detektor α i p SiBall Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 13 / 30

14 Poziomy energetyczne jader atomowych (31/2 ) (29/2 ) (27/2) Excitation Energy (MeV) (25/2 ) (21/2 ) (19/2 ) (17/2 ) (13/2 ) (9/2 ) (5/2 ) (23/2) Cd (19/2 ) (11/2 ) (7/2 ) (21/2) 1176 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30

15 Poziomy energetyczne jader atomowych (31/2 ) (29/2 ) (27/2) jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra Excitation Energy (MeV) (25/2 ) (21/2 ) (19/2 ) (17/2 ) (13/2 ) (9/2 ) (5/2 ) (23/2) Cd (19/2 ) (11/2 ) (7/2 ) (21/2) 1176 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30

16 Poziomy energetyczne jader atomowych (31/2 ) (29/2 ) (27/2) jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra Excitation Energy (MeV) 4 2 (25/2 ) (21/2 ) (19/2 ) (17/2 ) (23/2) 590 (13/2 ) Cd (19/2 ) (11/2 ) (21/2) 1176 kwanty te s a obserwowane jednocześnie (w koincydencji) 607 (9/2 ) (7/2 ) (5/2 ) 0 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30

17 Poziomy energetyczne jader atomowych (31/2 ) (29/2 ) (27/2) jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra Excitation Energy (MeV) 4 2 (25/2 ) (21/2 ) (19/2 ) (17/2 ) (13/2 ) (9/2 ) (23/2) Cd (19/2 ) (11/2 ) (21/2) 1176 kwanty te sa obserwowane jednocześnie (w koincydencji) Tworzenie jadra w stanie wzbudzonym następuje np poprzez: reakcję fuzji-ewaporacji: 58 Ni + 45 Sc 103 In(CN) p3n + 99 Cd (7/2 ) (5/2 ) 0 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30

18 Poziomy energetyczne jader atomowych jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra kwanty te sa obserwowane jednocześnie (w koincydencji) Tworzenie jadra w stanie wzbudzonym następuje np poprzez: reakcję fuzji-ewaporacji: 58 Ni + 45 Sc 103 In(CN) p3n + 99 Cd rozpad radioaktywny: 137 Cs 137 Ba Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30

19 Oddziaływanie kwantów γ z materia efekt fotoelektryczny: kwant γ oddziałuje ze zwiazanym w atomie elektronem, przekazujac mu cała swoja energię. Emitowany jest fotoelektron oraz kwant energia E γ jest (zwykle) w całości zdeponowana w detektorze w punkcie oddziaływania E e = hν E b τ const Z n /Eγ 3.5 n = 4, 5 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 15 / 30

20 Oddziaływanie kwantów γ z materia efekt fotoelektryczny: kwant γ oddziałuje ze zwiazanym w atomie elektronem, przekazujac mu cała swoja energię. Emitowany jest fotoelektron oraz kwant energia E γ jest (zwykle) w całości zdeponowana w detektorze w punkcie oddziaływania E e = hν E b τ const Z n /Eγ 3.5 n = 4, 5 rozpraszanie Comptona: E γ = E γ 1+(1 cos(θ)) E γ mec 2 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 15 / 30

21 Oddziaływanie kwantów γ z materia efekt fotoelektryczny: kwant γ oddziałuje ze zwiazanym w atomie elektronem, przekazujac mu cała swoja energię. Emitowany jest fotoelektron oraz kwant energia E γ jest (zwykle) w całości zdeponowana w detektorze w punkcie oddziaływania E e = hν E b τ const Z n /Eγ 3.5 n = 4, 5 rozpraszanie Comptona: E γ = E γ 1+(1 cos(θ)) E γ mec 2 kreacja par e + e (E γ > 1.02 MeV) spowolniony e + anihiluje dajac parę kwantów γ po 511 kev Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 15 / 30

22 Oddziaływanie kwantów γ porównanie Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 16 / 30

23 Oddziaływanie kwantów γ porównanie Przekrój czynny współczynnik proporcjonalności σ w równaniu: dn gdzie: dn = σndx - liczba rozproszonych czastek dx - grubość tarczy n N - liczba padajacych czastek na jednostkę powierzchni tarczy w jednostkowym czasie - gestość centrów rozpraszania w tarczy Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 16 / 30

24 Widmo kwantów γ w detektorze Ge E2 E1 Edet = E1 - E2 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 17 / 30

25 Widmo w detektorze Ge z osłona antykompton. E1 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 18 / 30

26 Detektor Ge z osłona antykomptonowską Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 19 / 30

27 Układy detektorów germanowych: OSIRIS Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 20 / 30

28 Układ detektorów germanowych: EAGLE Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 21 / 30

29 Widma surowe 58 Ni(205MeV) + 45 Sc trigger: 2n Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 22 / 30

30 Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30

31 Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x wychwyt elektronu 152 Eu przemiana beta Sm Gd 1299 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30

32 Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x 07-Mar-05 20:44: Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30

33 Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x kev kan kev kan Mar-05 20:44: kev kan kev kan Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30

34 Kalibracja energetyczna dopasowanie nr. kanału E γ (kev) ± ± ± ± ± ± ± ± kalibracja energetyczna E γ = x numer kanalu Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 24 / 30

35 Widma po kalibracji energetycznej 58 Ni(205MeV) + 45 Sc trigger: 2n Mar-05 21:39:04 ge1_cal Mar-05 21:39:04 ge2_cal Mar-05 21:39:04 ge3_cal Mar-05 21:39:04 ge4_cal Mar-05 21:39:04 ge5_cal Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 25 / 30

36 Poprawka dopplerowska γ detektor θ v E γ = E γ (1 + v c cos(θ)) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 26 / 30

37 Intensywność pików Mar-05 21:48:24 3cn_cup (25/2 ) Cd (23/2) (21/2) (21/2 ) (19/2 ) (17/2 ) (13/2 ) (9/2 ) (5/2 ) (19/2 ) (11/2 ) (7/2 ) 1176 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 27 / 30

38 Kalibracja wydajnościowa E γ I γ (kev) względna intensywność (tablice) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30

39 Kalibracja wydajnościowa E γ I γ N γ (kev) względna liczba intensywność zliczeń (tablice) (widmo) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30

40 Kalibracja wydajnościowa E γ I γ N γ ǫ = N γ /I γ (kev) względna liczba wydajność intensywność zliczeń (tablice) (widmo) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30

41 Kalibracja wydajnościowa E γ I γ N γ ǫ = N γ /I γ (kev) względna liczba wydajność intensywność zliczeń (tablice) (widmo) Jeżeli znana jest absolutna aktywność źródła (A = A o e λt ), to możemy wyznaczyć absolutna wydajność detektora. Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30

42 Krzywa kalibracji wydajnościowej 08-Mar-05 09:00:55 r1_eu.sin Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 29 / 30

43 Krzywa kalibracji wydajnościowej 08-Mar-05 09:00:55 r1_eu.sin Poprawka na wydajność detektora: I γ = N γ /ǫ(e γ ) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 29 / 30

44 Podsumowanie Oddziaływanie z materia elektronów, ciężkich czastek naładowanych, neutronów i kwantów γ (X) Parametry charakteryzujace detektor: wydajność, rodzielczość energetyczna i czasowa, liniowość, P/T, czas martwy Jonizacyjny detektor gazowy, scyntylator, detektor półprzewodnikowy Kalibracja energetyczna i wydajnościowa detektora Literatura: Glenn F.Knoll, Radiation detection and measurement W.R.Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 30 / 30