Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 7 Detekcja cząstek

Transkrypt

1 Elementy Fizyki Jądrowej Wykład 7 Detekcja cząstek

2 Detekcja cząstek rejestracja identyfikacja kinematyka

3 Zjawiska towarzyszące przechodzeniu cząstek przez materię jonizacja scyntylacje zjawiska w półprzewodnikach promieniowanie Czerenkowa promieniowanie hamowania (bremsstrahlung) wielokrotne rozpraszanie cząstki neutralne?

4 Oddziaływanie promieniowania z materią zjawisko fotoelektryczne - oddziaływanie z elektronem związanym w atomie całkowita absorpcja kwantu rozpraszanie komptonowskie - rozpraszanie kwantu na swobodnym elektronie kwant zmienia energię i kierunek ruchu tworzenie par elektron-pozyton - kwant znika, a pojawia się para elektron-pozyton

5 Zjawisko fotoelektryczne hv W m 2 2 hv energia fotonu W praca wyjścia elektronu m masa elektronu υ prędkość wybitego elektronu

6 Zjawisko Comptona f i h m c e 1 cos λ i długość fali padającego fotonu λ f długość fali rozproszonego fotonu θ kąt rozproszenia fotonu

7 Tworzenie par elektron-pozyton hv 2m c e 2 E E E K m e c 2 energia spoczynkowa elektronu E + - energia kinetyczna pozytonu E - - energia kinetyczna elektronu E K energia kinetyczna trzeciego ciała (najczęściej jądra atomowego)

8 Detekcja gamma ucieczka rozproszonego fotonu częściowa strata energii rozpraszanie Comptona absorbcja w zjawisku fotoelektrycznym tworzenie par ucieczka fotonu 0,511 MeV pochodzącego z anihilacji

9 Widmo promieniowania gamma

10 Współczynnik osłabienia wiązki prom. gamma N x x N 0 e

11 Wielokrotne rozpraszanie Cząstka traci niewielką energię i nieznacznie zmienia kierunek w każdym akcie oddziaływania. Po przebyciu pewnej drogi w ośrodku zmniejsza się energia i dekolimuje się pierwotna wiązka. przed po energia kierunek

12 Wielokrotne rozpraszanie Intensywność wiązki w funkcji drogi przebytej w ośrodku: w wyniku wielokrotnego rozpraszania w wyniku procesów, w których cząstka traci znaczną część energii i wypada z wiązki N(x) lnn(x) N(0) N(0)/2 R 0 x x zasięg proces statystyczny: N N N x x x N 0 e

13 Jonizacja Średnie straty energii na joniozację (formuła Bethe Blocha): de dx 4 4 e z 2 m c e 2 2 nz ln 2m I 2 2 e c e z ładunek cząstki Z, A wielkości charakteryzujące ośrodek prędkość cząstki (v/c) I energia jonizacji (I 13.5 Z ev) n koncentracja

14 Jonizacja możliwa identyfikacja

15 średnia gęstość jonizacji Krzywa Bragga droga przebyta w absorbencie zasięg

16 Liczniki jonizacyjne cząstka naładowana jonizacja

17 Charakterystyka i przedziały pracy komory gazowej

18 amplituda sygnału obszar rekombinacji obszar komory jonizacjnej obszar proporcjonalności obszar licznika G.- M. Liczniki jonizacyjne napięcie anodowe

19 Komora jonizacyjna Liczba wytworzonych jonów proporcjonalna do traconej przez cząstkę energii. Niewielkie impulsy rejestracja cząstek silnie jonizujących. cienkościenne okienko

20 Licznik proporcjonalny Jonizacja wtórna impuls wzmocniony razy Wysokość impulsu proporcjonalna do liczby jonów pierwotnych, a więc do energii cząstki. warunek dobra stabilizacja napięcia anodowego

21 Licznik Geigera-Millera Detektor jonizacyjny pracujący w zakresie geigerowskim silne pole elektryczne w pobliżu anody powoduje jonizacje lawinową. Prosty przyrząd rejestrujący promieniowanie. Brak informacji o rodzaju promieniowania energii Czas martwy czas wyładowania (kilka s), w którym licznik nie rejestruje cząstek.

22 Detektory śladowe Komora mgłowa Wilsona: jonizacja w przechłodzonej parze rozprężenie adiabatyczne przesycenie Charles Wilson ½ 1927

23 Pierwsza fotografia cząstki V o wtórne kosmiczne, h = 0 komora mgłowa B = 0.35 T, płytka 3 Pb (Manchester Univ.) K o G.D.Rochester i C.C.Butler; Nature, 160, 855, (1947) π - π + = 67 o p + = MeV p - = MeV m V = MeV = s

24 Komora pęcherzykowa Glasera D.Glaser, 1953 ( ) ekspansja przegrzanej cieczy fotografia 4 jednocześnie target i subst. robocza pole magnetyczne np.: H 2, C 3 H 8, CF 2 Cl 2, Xe,... Donald Glaser 1960

25 Komora pęcherzykowa Gargamelle BEBC, 33.5 m 3, H 2, 3.5 T

26 Analiza

27 K (4.2 GeV) w komorze H 2 K 0 + K p K + K 0 0 K 0 p K 0

28 Emulsja jądrowa Cecil Frank Powell 1950

29 pierwsze hiperjądro p X - + Ag-Br 50 m p produkcja i rozpad pierwszego zarejestrowanego i zidentyfikowanego hiperjądra wtórne kosmiczne emulsja jądrowa M.Danysz, J.Pniewski, 1952, UW najczęściej hiperhel 5 He typowy rozpad: 5 He - + p + 4 He ( MeV)

30 scyntylator NaI(Tl) fotopowielacz

31 Tor cząstki jonizującej Detektor scyntylacyjny Impuls elektryczny Scyntylacje Fotokatoda Strumień elektronów Dynoda Scyntylator - Dzielnik + Fotopowielacz napięcia Obudowa detektora Wysokie napięcie ok. 1000V Osłona ołowiana Opracowanie: J. Pluta

32 detektor modułowy

33 demon E286 (nasz)

34 konstrukcja

35 Komora iskrowa wyładowania iskrowe w miejscach jonizacji CERN

36 Komora drutowa Georges Charpak 1992

37 Komora drutowa linie sił pola elektrycznego drut anodowy katoda (-HV) Określenie współrzędnej x oddziałującej cząstki. Dwie komory o prostopadłych drutach - określenie współrzędnych x i y.

38 Komora dryfowa pole elektryczne niemal jednorodne w całym obszarze komory dryf elektronów trajektoria cząstki wysokie napięcie drut anodowy płytka katodowa licznik scyntylacyjny czas dryfu czas dotarcia sygnału do drutu anodowego = - czas przejścia cząstki przez licznik scyntylacyjny tor cząstki

39 Komora projekcji czasowej TPC (Time Projection Chamber)

40 Komora projekcji czasowej

41 to działa!

42 on line

43 ALICE - CERN

44 koniec