Nowatorskie rozwiązanie:tpc z odczytem optycznym (prof. Wojciech Dominik)

Transkrypt

1 Nowatorskie rozwiązanie:tpc z odczytem optycznym (prof. Wojciech Dominik) Do wnętrza komory wpada promieniotwórczy jon i zatrzymuje się w gazie. Po pewnym czasie następuje rozpad z emisją cząstek naładowanych (p, α,...) Detektor pozwala zrekonstruować tory tych czastek w przestrzeni. incoming identified ion gas at atmospheric pressure ionization electrons p e E v drif 1 cm/µs HV electrodes gating electrode Gas electron multiplier (GEM) 70 µm Trigger charge amplification GEM foils light Recording system CCD PMT Tydzień 5 Zamiast zbierać wzmocniony ładunek na anodzie, rejestrujemy światło emitowane na ostatnim stopniu wzmocnienia Do wzmocnienia gazowego używamy folii GEM 123

2 Po wyzwoleniu przez sygnał zewnętrzny, detektor zbiera, przez ustalony czas ekspozycji, dwa rodzaje danych. Kamera CCD rejestruje obraz, a sygnał z fotopowielacza (PMT), próbkowany i zapisywany przez oscyloskop, reprezentuje intensywność światła w funkcji czasu. Sygnał z PMT Czasowa sekwencja zdarzeń Obraz z CCD Implantacja jonu rozpad czas rozpadu Ekspozycję CCD można włączyć tuż po zatrzymaniu jonu, wtedy jego tor nie jest widoczny szczegóły rozpadu Tydzień 5 124

3 Obraz CCD przedstawia rzut toru na płaszczyznę XY. Z θ Y Zapis czasowy (oscyloskop) odpowiada rzutowi toru na kierunek dryfu (Z) t υ 10 mm/ µ s L d PMT =υ t d X φ t = 5 µs PMT XY L o Kamera CCD ( ) 2 L = + = mm = 7.8 MeV T α L xy =115 mm Tydzień 5 125

4 Przykład : Rozpad 6 He z emisją α i d Eksperyment wykonany w CERN-ISOLDE w Do detektora wpadała paczka jonów 6 He, po czym zaczynała się ekspozycja 1s. Rozpad z emisją α i d następuje bardzo rzadko ( 10-6 ). Celem pomiaru było ustalenie energii emitowanych cząstek ( ) E = 1± 0.03 MeV CM Wynik symulacji wg programu SRIM W03/95 Tydzień 5 126

5 Detektory scyntylacyjne Pewne materiały wykazują właściwość luminescencji, co oznacza, że po wzbudzeniu ich molekuł deekscytacja odbywa się poprzez emisję światła w przedziale widzialnym. W szczególności, gdy zjawisko to jest wywołane przez promieniowanie jonizujące, materiał taki nazywamy scyntylatorem. Pierwszym przykładem scyntylatora jako detektora cząstek był siarczek cynku (ZnS) stosowany przez pionierów promieniotwórczości (Geiger i Marsden). Czastki α padajace na ekran ZnS wywoływały bardzo słabe błyski światła obserwowane przez mikroskop. Detektory scyntylacyjne zaczęły odgrywać ważną rolę po pojawieniu się fotopowielacza, który umożliwił wzmocnienie słabego sygnału świetlnego i przekształcenie go w sygnał elektryczny. Dziś scyntylatory należą do najbardziej rozpowszechnionych detektorów promieniowania, dzieki prostocie, niskiej cenie i dobrej wydajności. Tydzień 5 127

6 Budowa detektora scyntylacyjnego Kryształ scyntylatora, jest zamontowany na oknie fotopowielacza. Konieczne jest dobre sprzężenie optyczne (bez strat). Całość musi być dobrze osłonięta od światła zewnętrznego. PMT photomultiplier tube wzmocnienie w fotopowielaczu może osiągnąć Tydzień 5 128

7 Zasadniczo ilość światła powstającego w scyntylatorze jest proporcjonalna do energii zdeponowanej przez promieniowanie. Ponieważ odpowiedź fotopowielacza też jest liniowa, detektor scyntylacyjny jest używany jako spektrometr. Sygnał wyjściowy jest jednak bardzo czuły na temperaturę i na wartości napięć w fotopowielaczu. Scyntylatory są z reguły bardzo szybkie i doskonale nadają się do pomiarów czasowych. Stała zaniku impulsu w pewnych materiałach może osiągać wartości poniżej nanosekundy. W niektórych scyntylatorach kształt impulsu pozwala odróżnić cząstki o różnym stopniu jonizacji (np. fotony od cząstek naładowanych). Bardzo wiele materiałów wykazuje własności scyntylacyjne. Są wśród nich ciała stałe, ciecze i gazy. Scyntylatory dzieli się na dwie główne grupy, różniące się mechanizmem świecenia: organiczne (kryształy, plastiki, ciecze), kryształy nieorganiczne. Tydzień 5 129

8 Scyntylatory organiczne Za świecenie odpowiadają swobodne, zdelokalizowane elektrony walencyjne w cząsteczce. Promieniowanie wzbudza te elektrony do wyższych stanów, a także stany wibracyjne molekuł. Deekscytacja prowadzi do różnych stanów wibracyjnych zbudowanych na elektronowym stanie podstawowym i towarzyszy jej emisja światła. Do tej kategorii należą kryształy organiczne (jak antracen C 14 H 10, naftalen C 10 H 8 ) oraz rozmaite plastiki (roztwory stałe organicznych molekuł w plastiku np. w polistyrenie) Szczególnie wygodne w użyciu są scyntylatory plastikowe. Są one też bardzo szybkie (2 3 ns). Stosowane do detekcji elektronów i cięższych cząstek naładowanych Tydzień 5 130

9 Kryształy nieorganiczne Pewne kryształy nieorganiczne, czasem domieszkowane aktywatorami, wykazują silne własności scyntylacyjne. Mechanizm świecenia wynika ze struktury pasmowej kryształu, a nie z właściwości jego molekuł. Cząstka jonizująca wzbudza elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Deekscytacja odbywa się poprzez stany w przerwie energetycznej obecne dzięki atomom domieszki (aktywatora). Do tej kategorii należy najczęściej używany scyntylator: NaI(Tl). Inne często spotykane to: CsI(Tl), BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ) i BaF 2. Od niedawna karierę robi LaBr 3 (Ce). W detektorze CMS zastosowany jest PbWO 4 (kalorymetr e-m). Tydzień 5 131

10 Kryształy nieorganiczne nie są tak szybkie jak plastiki (z wyjątkiem BaF 2 ). Dzięki dużemu Z są lepsze do detekcji promieniowania γ. Emitują dużo światła, co wpływa na lepszą zdolność rozdzielczą. NaI(Tl) zanik czasowy 250 ns, 38 fotonów/kevγ, higroskopijny BGO 300 ns, 10 fotonów/kevγ, dobra wydajność dla γ o dużej energii BaF ns, 12 fotonów/kevγ, najszybszy scyntylator LaBr 3 (Ce) 16 ns, 63 fotonów/kevγ, najlepsza rozdzielczość, higroskopijny kwarc borosilikat szkło UV Widma emisyjne scyntylatorów nieorganicznych. Maksimum emisji dla szybkiej składowej w BaF2 jest przy 220 nm konieczne okienko kwarcowe. Tydzień 5 132

11 Dla energetycznej zdolności rozdzielczej decydująca jest ostateczna liczba nośników ładunku, które rejestrujemy. W przypadku scyntylatorów jest to liczba elektronów na wejściu fotopowielacza. Musimy wziąć pod uwagę wydajność kolekcji fotonów na oknie fotopowielacza (typowo 40-50%) i wydajność fotokatody, czyli prawdopodobieństwo konwersji fotonu na fotoelektron (w maksimum 20-30%). Średnio 10% pierwotnych fotonów zamienia się na fotoelektrony. 60 Co emituje 2 linie γ: 1173 kev i 1333 kev 260 ev/fotoelektron 160 ev/fotoelektron 830 ev/fotoelektron Tydzień 5 133

12 Detektory półprzewodnikowe Postęp w technologii materiałów półprzewodnikowych wywołał na początku lat 60-tych XX w. prawdziwą rewolucję naukowo-techniczną, także w metodach detekcji promieniowania. Główne zalety półprzewodnika, to duża gęstość (ciało stałe) i bardzo mała energia konieczna do wytworzenia pary nośników ładunku (W). Półprzewodnik typu n, (domieszkowany np.fosforem) Dwa najważniejsze materiały półprzewodnikowe jako detektory: krzem (Si), W=3.63 ev german (Ge), W=2.96 ev Półprzewodnik typu p, (domieszkowany np. borem) Tydzień 5 134

13 Złącze p-n Na złączu między półprzewodnikami typu n i p tworzy się samoistnie warstwa zaporowa (depletion region) wskutek dyfuzji nośników większościowych do obszaru sąsiedniego i ich rekomrekombinacji. Złącze ma charakter prostowniczy. Polaryzacja złącza w kierunku zaporowym ( + po stronie n, po stronie p) rozszerza warstwę zaporową. Warstwa zaporowa to obszar pozbawiony nośników ładunku, w którym występuje pole elektryczne. Analogia do komory jonizacyjnej Tydzień 5 135

14 Złącze p-n jako detektor promieniowania jonizującego Detektory krzemowe są stosowane do detekcji cząstek naładowanych (elektrony, ciężkie jony) Detektory germanowe, dzięki większej liczbie atomowej (Z=32) są znacznie lepsze do rejestracji promieniowania γ. Ze względu na mniejszą przerwę energetyczną muszą pracować w temperaturze ciekłego azotu. Tydzień 5 136

15 Przykład : Identyfikacja liczby atomowej jonów poprzez pomiar ich strat energii w detektorze Si o grubości 300 µm (70 mg/cm 2 ). Dane z eksperymentu w laboratorium GANIL, Caen (Francja). Fragmenty A MeV Liczba Z wyznaczona na podstawie wartości E i prędkości jonu : Z E f ( υ) Ne Sn Tydzień 5 137

16 Detektory paskowe i pikselowe Zastosowanie elektrod paskowych pozwala określić współrzędne toru cząstki Jeśli dwie cząstki przejdą jednocześnie, to wyznaczenie ich pozycji nie jest jednoznaczne! Przy dużym strumieniu cząstek konieczny jest detektor pikselowy Tydzień 5 138

17 Detekcja promieniowania γ Foton promieniowania γ przekazuje energię elektronom w materiale detektora i ich energia jest rejestrowana. Najbardziej pożądane są zdarzenia, w wyniku których cała energia fotonu jest zarejestrowana przez detektor (pik pełnej energii). Jednak często foton zostawia tylko część swojej energii. Schemat widma dla monoenergetycznego promieniowania γ (E γ > 1022 kev) Tydzień 5 139

18 Porównanie rozdzielczości energetycznej detektora germanowego i kryształu NaI Źródło 137 Cs Eγ = 662 kev Ge: FWHM 1 kev NaI: FWHM 40 kev Widmo γ dla źródeł 108m Ag i 110m Ag Tydzień 5 140

19 Szereg 232 Th 240 kev 212 Pb 352 kev 214 Pb 1461 kev 40 K Szereg 238 U 609 kev 214 Bi 2614 kev 208 Tl Widmo tła promieniowania γ w budynku przy Pasteura 7. Czas pomiaru ok. 24 godz. Tydzień 5 141

20 Przykład : Nowoczesne układy wielu detektorów Ge do spektroskopii γ Large Gamma Arrays based on Compton Suppressed Spectrometers Tracking Arrays based on Position Sensitive Ge Detectors EUROBALL GAMMASPHERE AGATA Tydzień 5 ε 10 5 % ( M γ =1 M γ =30) ε % ( M γ =1 M γ =30) 142

21 Przykład : Detektor CMS przy LHC Tydzień 5 143

22 Tydzień 5 144

23 Tydzień 5 145

24 Tydzień 5 146

25 Tydzień 5 147

26 Tydzień 5 148

27 Tydzień 5 149

28 Tydzień 5 150

29 Promieniowanie Czerenkowa Cząstka naładowana poruszająca się w ośrodku dielektrycznym w prędkością większą od prędkości fazowej światła w tym ośrodku, emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Zjawisko to zostało odkryte w 1934 roku przez Pawła Czerenkowa i wkrótce objaśnione przez I. Franka i I. Tamma. Ci trzej fizycy otrzymali za to nagrodę Nobla z fizyki w 1958 roku. Promieniowanie Czerenkowa powstaje, gdy prędkość cząstki: υ > υ = n f c n współczynnik załamania ośrodka Czoła fal tworzą powierzchnię stożkową. Kierunek rozchodzenia się p. Czerenkowa tworzy z kierunkiem ruchu cząstki kąt θ: c cosθ = = nυ 1 nβ Przykład: dla wody n = 1.33 maksymalny kąt rozwarcia: θ max = 41.2 Tydzień 5 151

30 Detektor Super-Kamiokande Detektor neutrinowy w rejonie Kamioka w Japonii, 1000 m pod ziemią. Komora o wymiarach 41 m 39 m wypełniona 50 tys. ton ultra czystej wody. Na wewnętrznych ścianach zbiornika zamontowano 11 tys. fotopowielaczy o średnicy 51 cm. W 1998 roku SK ogłosił pierwszą obserwację oscylacji neutrin. nagroda Nobla z fizyki, 2015 Tydzień 5 152

31 Dwa zdarzenia zarejestrowane przez detektor Super-Kamiokande :35:22: mion o pędzie 603 MeV :26:08 : elektron o pędzie 492 MeV Tydzień 5 153

32 Detektor Soudan-2 Detektor neutrinowy w północnej Minnesocie (USA), 700 m pod ziemią. Układ komór gazowych z projekcją czasu o całkowitej wadze 960 ton. Podobnie jak SK, zbudowany w celu poszukiwania rozpadu protonu. Cień Księżyca w świetle mionów rejestrowanych w detektorze Soudan 2 Krzyżyk pokazuje położenie Księżyca (przesunięcie jest wynikiem Ziemskiego pola magnetycznego) Tydzień 5 154