METODY DETEKCJI PROMIENIOWANIA JĄDROWEGO 1

Transkrypt

1 MTODY DTKCJI PROMINIOWNI JĄDROWGO 1 1

2 ŹRÓDŁ CZĄSTK PROMINIOWNI JĄDROWGO rzemiay romieiotwórcze jąder (aturale) ie reakcje jądrowe (cząstki o wysokiej eergii) akceleratory, romieiowaie kosmicze ODDZIŁYWNI PROMINIOWNI JĄDROWGO Z MTRIĄ oddziaływaie ciężkich cząstek aładowaych, m > m e (m e MeV):, d, α, mezoy, fragmety jąder (a>4, z>4), п ±, п 0, k, λ, σ oddziaływaie romieiowaia β (e +, e - ) oddziaływaie romieiowaia γ oddziaływaie cząstek eutralych (z0):, υ

3 ODDZIŁYWNI Z MTRIĄ CIĘŻKICH CZĄSTK NŁDOWNYCH Joizacja atomów ośrodka (ieelastycze zderzeia z elektroami atomów) straty eergii a wytworzeie ary joów [(Ze) +, e - ] w owietrzu: 35 ev (stała w rzybliżeiu dla wszystkich cząstek), słabo zależy od rodzaju gazu absorcja a skutek joizacji absorcja zasięgowa S I x absorbet(, Z, I) 3

4 Krzywa absorcji R zasięg R zasięg średi R e zasięg ekstraoloway [R] cm zasięg liiowy lub [R] [x ρ] g/cm zasięg masowy I/I R R e R x R R() wyzaczaie eergii z omiaru R 4

5 TORI ODDZIŁYWŃ Straty eergii cząstki a jedostkę drogi d dx 4Πe z Z l m v 4 e mev I dla mc m e ( mc ) mec I Średi otecjał joizacji i wzbudzeia atomów absorbeta,. H owietrze l Pb 15.6 ev 80.5 ev 150 ev 705 ev 5

6 DL CZĄSTK RLTYWISTYCZNYCH d dx 4 4Πe z m v e Z l I m v β e ( ) 1 φ, β v c d gdy dx d gdy z dx d gdy m dx [MeV] (10 MeV, 1.1 m) 1. R [ m] Średia gęstość joizacji (liczba ar joów a jedostkę drogi) R x 6

7 Wzór Bragga-Kleemaa (dokładość ~15%) (emiryczy) R ρ cost bsorbet związek lub mieszaia: δ δ owietrze: 3.81 ; ρ g/cm 3 R ρ R ow 7

8 ODDZIŁYWNI PROMINIOWNI β Z MTRIĄ joizacja zderzeia elastycze z jądrami i elektroami zderzeia ieelastycze z jądrami i elektroami (romieiowaie hamowaia) aihilacja dla ozytoów 8

9 Przekrój czyy a day roces ( rawdoodobieństwo zajścia rocesu) N gęstość cetrów oddziaływań (. l. atom./j. obj.) d σ N dx 1 d σ N dx σ-rzekrój czyy a oddziaływaie () N (- d) - d [σ ] 1 b ( 1 bar) e 4 1b 4Π 10 cm mec e m c e lub iaczej klasyczy romień elektrou d σ N dx (absorbet usuwa część eergii d z adającej eergii rom. ) 1 N d dx σ gdy możliwe jest wiele iezależych rocesów σ TOT σ 1 + σ + σ (tot total) strumień cząstek dx absorbet 9

10 RÓŻNICZKOW PRZKROJ CZYNN rozkład kątowy dσ dω ; (dω, (θ, φ)) dω Zderzeie Produkcja owych cząstek dσ rozkład eergetyczy d ; (, + d) 10

11 BSORPCJ LKTRONÓW 0.1 MeV elektroy ierelatywistycze joizacja σ j 1 N d dx v β c Z 4 l β I σ j b/atom rozraszaie elastycze a jądrach, m e << m j, rozraszaie wstecze 1 Z 4 β θ 90º σ r 4 b/atom θ m e 11

12 rozraszaie srężyste a elektroach Z (0 < θ < 90º) 45º θ 90º re 4 b/atom σ rozraszaie ieelastycze, emisja romieiowaia hamowaia (rom. X) 8 1 Z σ b/atom 3π 137 β Przykład, e e 0.1 MeV Materiał σ j [b/atom] σ r [b/atom] σ re [b/atom] σ [b/atom] Powietrze Pb β 1

13 straty eergii a jedostkę drogi d dx f ( Z ) e, c eergia krytycza: d dx j d dx c 7MeV dla Pb c 340 MeV dla H dla dużych eergii elektrou e >>m 0 c (L długość radiacyja dla daego absorbeta) d ~ dx d 1 dx L 0 e x L 13

14 TWORZNI PĘKÓW LKTRONOWO-FOTONOWYCH γ > m 0 c MeV1.0 MeV (rom. hamow.) γ e + + e - kreacja ar (e +, e - ) (aihilacja ar e +, e - ) γ e - γ e + e - e + e + e - γ e + γ e + e - 14

15 Wielki ęk atmosferyczy 15

16 KRZYW BSORPCJI elektroy mooeergetycze elektroy o widmie ciągłym I/I 0 1 dn/d. rzemiaa β jąder R x max µ x I I 0 e µ- liiowy wsółczyik absorcji µ/ρ- masowy wsółczyik absorcji µ/ρ cost (ie zależy od ρ i Z) 16

17 l( I/I 0 ) Tło detektora 0 R max x µ/ρ z zależości I(x) max w widmie rom.β 17

18 ODDZIŁYWNI PROMINIOWNI γ Z MTRIĄ (oddziaływaie z elektroami i jądrami atomów) absorcja rozraszaie srężyste rozraszaie iesrężyste 18

19 BSORPCJ Zjawisko fotoelektrycze (główie z owłoki K atomu) ω + f h e B B - eergia wiązaia e - a owłoce σ f a Z c a,b,c- stałe ( hω ) b a b h ω << 0.5MeV m 0 c a 4.5 hω >> 0.5MeV b 1 19

20 lektroy ugera hω hω K K K L L K L K, L - eergie wiązaia elektrou a owłoce K, L, i.t.d. ergia elektrou ugera z owłoki L h ω K X e - X e - L K e - 0

21 1 Rozraszaie Comtoa f >> B elektroy w atomach elektroy swobode Def.: α ђω/m 0 c σ c σ c (α) wzór Kleia- Nishiy α << 1 σ c ⅔(1 - α) b/atom α >> 1 σ c 1 / 4α (lα + 1 / ) b/atom ( ) ' 0 ' 4 0 ' ' cos 1 1 f f e f f f e e e f f e f f f f c m c m c c ϑ ω ω h h f [MeV] σ c [b]

22 Zjawisko tworzeia ar (w obecości jąder) f > m 0 c 1.0 MeV γ e + + e - e+e- ђω- m 0 c 1 e σ Z f ( ) f 137 m 0 c f( f ) ~ l f f( f ) cost. dla b. dużych eergii Całkowity rzekrój czyy σ tot σ f + Zσ tot + σ [b/atom] di -µ I dx ie jest to absorcja zasięgowa I I 0 e -µx µ σ tot liczba atomów absorbeta w jedostce objętości µ µ f + µ c + µ liiowy wsółczyik absorcji µ/ρ wsółczyik masowy absorcji σ 1.0 MeV f

23 µ ρ σ N µ ρ µ ρ N N σ ρ ρ σ N σ µ σ ρ N Z ie zależy od rodzaju ierwiastka, oieważ ( Z / ) cost 0.45 dla wszystkich ierwiastków. OŁÓW absorbetem µ/ρ [cm /g] σ f σ tot σ c 0.1 σ

24 ihilacja ozytoów i elektroów e + + e - (swobody) γ aihilacja fotoowa dla małych eergii e + i e - e hω h + c c hω + h ' ω ' ω 0 e 0 m c 0 +, e w_ soczyku hω c e +, e - hω c ђω m 0 c τ 1.3 ( 1 / ) 10 0 s s średi czas życia ozytou ze względu a aihilację dwufotoową gęstość elektroów ośrodka 4

25 Mechaizm aihilacji POZYT (e + e - ) ietrwały quasi atom (e + ) ~ ev (o sowolieiu e + ) γ e ++ e - γ Sta sigletowy quasi-atomu 1 S 0 aihilacja dwufotoowa s ± 1 / ђ PRPOZYT τ s Sta tryletowy ozytu γ e - e ++ γ γ 1 3 S 1 aihilacja trójfotoowa ORTOPOZYT τ s (zachowae: ęd, si, arzystość) 5

26 ODDZIŁYWNI NUTRONÓW Z MTRIĄ Oddziaływaie za omocą sił jądrowych Detekcja wykorzystaie zjawisk, w których wytwarzae jest romieiowaie joizujące w zależości od : rozraszaie elastycze eutroów a rotoach reakcje jądrowe z emisją cząstek aładowaych wzbudzoa romieiotwórczość jąder (rozad β) 6

27 PODZIŁ NUTRONÓW owole 0 < < 1 kev - zime ~ 10-3 ev (t 11 k) - termicze ~ 0.05 ev (t 300 k) - rezoasowe 1 ev < < 1 kev ośredich eergii 1 < < 500 kev rędkie 0.5 < < 50 MeV wysokich eergii > 50 MeV 7

28 8 K K + M,, cos ϕ ROZPRSZNI SPRĘŻYST układ laboratoryjy eergia jądra odrzutu: ϕ α cos, ( ) ( ) M M M M + + α M M 1 eergia rozroszoego eutrou: ( ) si cos + + θ θ M M M M M, ϕ ϕ ϕ α α θ si cos cos 1 si M M jądro o masie M i liczbie masowej

29 Jądro wodoru (rotou): 1 cos ϕ dla > 100 ev rozraszaie srężyste jest raktyczie jedyym rocesem oddziaływań eutroów z rotoami σ [b/atom] [MeV] 9

30 RKCJ JĄDROW Reakcje tyu: [(, ), (, α)], [(, γ), (, )] metody aktywacyje. Q > 0 reakcje egzotermicze 3 He(, )T Q MeV 6 Li(, α)t Q MeV zachodzą dla ajowoliejszych 10 B(, α) 7 Li Q +.78 MeV eutroów σ [bar] He + 10 B + 6 Li + Są to reakcje z dużym rzekrojem czyym. [ev] 30

31 [(, γ), (, )] aktywacja eutroowa (reakcje aktywacji eutroowej) (, γ) wychwyt radiacyjy eutrou ( reakcja egzotermicza) + X ( +1 Y) * +1 Y + γ + kilka MeV lub +1 Y + γ + (5-10) MeV lub +1 Y + 3 γ + kilka MeV Xe σ 10 6 barów duża zmieość σ + d (deutero) σ 10-4 barów duże σ dla eutroów termiczych rezoasowych I σ 145 b (β, γ, T 1/ ( 116 I)54 mi) + 59 Co σ 366 b (β, γ, T1/( 60 Co)5.8 lat) 31

32 [(, )] (reakcja edotermicza) reakcja rogowa r Q (1+ 1 / ) zwykle r > (8-10) MeV. 107 g(, ) 106 g r 9.6 MeV 106 g ( 106 Pd) + e + σ 0.11 barów [ 47 g 46 Pd] T 1/ 13 di małe rzekroje czye σ ~ (0.-1.0) bara, ajwiększe w obliżu r [(, f)] reakcje rozszczeieia jąder (jądra iestabile ze względu a rozad α) f fragmet rozszczeioego jądra. ( 38 U, 35 U, 39 Pu) + eutro termiczy ( 3 Th, 38 U, 40 Pu) + eutro ( )MeV (jądro + foto) reakcja fotorozszczeieia 3

33 Jede akt rozszczeieia: ~ 3 eutroy ~ 5-7 γ ( γ ~ 1 MeV) eutroy oóźioe α z rozadu fragmetów β z rozadu fragmetów To odlega rejestracji 33