Rozdział 5. Detekcja ciężkich jonów

Transkrypt

1 Rozdział 5 Deekcja i idenyfikacja jonów 63 Deekcja ciężkich jonów Do rejesracji jonów sosuje się klasyczne meody deekcji cząsek naładowanych. Najczęściej spoykane rodzaje deekorów o : Scynylaory (plasik) pomiar czasu i położenia. De. gazowe (komory jonizacyjne) pomiar sra energii (i położenia). De. druowo-gazowe (komory druowe) pomiar położenia. De. krzemowe pomiar energii, sra energii, czasu i położenia. deekory monoliyczne i paskowe są częso wykorzysywane jednocześnie do rejesracji jonów i ich rozpadów. Nie będziemy u szczegółowo opisywać konsrukcji i działania ych deekorów. W dalszej części omówimy jedynie komorę jonizacyjną i problem różnicy między sraą energii a energią zdeponowaną. 64

2 Zasada idenyfikacji jonów Do najważniejszych zale meody fragmenacji pocisków należy możliwość pełnej i jednoznacznej idenyfikacji pojedynczych jonów w locie. Zasada ej idenyfikacji opiera się na pomiarze szywności magneycznej, czasu przelou i sra energii ( TOF E), a czasem akże całkowiej energii kineycznej TKE., x, x TOF E TKE E + EK E K 65 Czas przelou TOF pozwala obliczyć prędkość jonu i jej funkcje : υ l TOF ; β υ ; c γ β. Warość pozwala wedy określić sosunek A/Q jonu : [Tm] 3.07γ β A Q (parz sr. 4). Sraa energii jonu w deekorze E pozwala obliczyć Z : de E x Z f ( υ) (parz sr. 87). dx Całkowia energia kineyczna (TKE) zależy od masy jonu i jego prędkości : TKE E mc mc ( γ ) Au c ( γ ). 66

3 Pomiar szywności magneycznej Warość wyznacza się na podsawie pomiarów położenia jonu (w płaszczyźnie dyspersyjnej) przed (x ) i po (x ) przejściu przez sekcję dipolową oraz ze znajomości wielkości 0 na osi opycznej. V 0 D Macierz opyczna dla sekcji dipolowej (sr. 47) : M W V D'. 0 0 Wynika z niej, że : x V x + Dδ ( B ), czyli Pomiary TOF E ρ δ ( ) ( x D ( x D V x ), V x). Czasem (np. gdy x x 0) wysarczy przybliżenie 0, w przeciwnym wypadku konieczna jes znajomość paramerów jonowo-opycznych (D i V) sekcji dipolowej! 67 Pomiar czasu przelou między dwoma deekorami TOF START TAC/TDC Pomiar czasu rozpoczynamy sygnałem z deekora za sekcją dipolową, gdyż dociera am mniej cząsek. k a( ) START + b, + T. k START + T, T, T czasy propagacji sygnałów zależne od długości kabli. k a + T T ) + b a( TOF + T T ) +, a, b, T, T są sałe ( b ~ TOF a~ k + b. 68

4 Efek propagacji sygnału w deekorze W dużych deekorach czas propagacji sygnału w samym deekorze (zależny od pozycji jonu) może być na yle duży, że nie można go zaniedbać przy wyznaczaniu TOF. Przy okazji zjawisko o daje możliwość pomiaru pozycji. Przykład : scynylaory plasikowe w FRS (grubość 5 mm, szerokość ok. 0 cm). L TOF L x x R R Sygnały z każdego końca docierają do zegara (TAC/TDC) po czasach : d / x d / x R + + T, ~ R R + + T, d szerokość deekora, c ~ R c c d / + x d / + x ~ prędkość propagacji L + ~ + TL, L +, c ~ + T sygnału w deekorze, L c T czas propagacji w kablach (sały). 69 Z różnicy czasów między lewym a prawym końcem deekora można wyznaczyć pozycję x : x c~ LR L R T + LR, T L TR c~ + LR, T LR L R x T a LR + b, x a LR b x +. L TR Z różnicy czasów między lewymi (prawymi) końcami można wyznaczyć TOF : x x d d LL L L L L ~ ~ ~ ~ T T c c c c x x TOF + ~ ~ + consl. c c x x d. ~ ~ ~ d ~ x x RR R R TR TR TOF + + cons ~ ~ R c c c c c c Suma powyższych wyrażeń nie zależy już od położenia : TOF ( LL + RR ) + cons. 70

5 Pomiar czasu przelou względem impulsów W laboraoriach cykloronowych do pomiaru czasu przelou można wykorzysać, zamias dwóch deekorów, jeden deekor jonów i sygnał wysokiej częsości () cykloronu, kóry jes związany z czasem padania pocisków na arczę. arcza TOF START k a( ) START + b, TAC/TDC k różnica ( START ) związana jes z czasem przelou jonów od arczy do deekora. 7 Sekwencja czasowa sygnałów : Generaor T ν / pocisk na arczy T p produk w deekorze START TOF START p T + TOF T + n START T + n TOF + cons. T TOF Uwaga: warość T p ( faza cyklu przyspieszania) musi być sała! p 7

6 Czas przelou względem z degraderem Meoda pomiaru czasu względem dosarcza warości TOF na odcinku od arczy do deekora. Jeśli na drodze jonów znajduje się degrader należy wziąć pod uwagę fak, że jony mają przed nim inną prędkość niż za nim. arcza degrader υ s TOF + υ s Do indenyfikacji porzebna jes zazwyczaj prędkość υ w końcowej części separaora : s s υ TOF +,. υ υ czyli υ s + s TOF υ Przy sosunkowo niskich energiach (cykloron) możemy przybliżyć : mυ υ υ. q υ s + s TOF 73 Pomiar sra energii w deekorze krzemowym Przykład : deekor Si o grubości 300 µm (70 mg/cm ) w GANIL Fragmeny 3 60 A MeV bez degradera Liczba Z wyznaczona na podsawie warości E i prędkości jonu : Z E f (υ) Ne Sn 74

7 Pomiar sra energii w deekorze jonizacyjnym Przykład : MUSIC chamber w GSI (M. Pfüzner i in., NIM B86 (994) 3 ) E r 75 Rozrzu sra energii w komorze MUSIC wg modelu Bohra ( sr. 94) Gdyby aki deekor mierzył sraę energii, rudno byłoby oddzielić jony różniące się liczbą Z o jeden! S Cl Ar Wynik pomiaru 76

8 W przypadku jonów cięższych byłoby jeszcze gorzej! Ale rozdzielczość deekora MUSIC jes znacznie lepsza Te I Xe 77 Wniosek : energia zdeponowana w deekorze ma inny rozkład niż energia sracona. W wyniku zderzeń jonu z elekronami w gazie, niekóre z nich uzyskują ak dużą energię, że uciekają z akywnej objęości deekora. Wpływa o na warość energii zdeponowanej (nieznacznie) i na jej rozkład (znacznie). Obcięy model Behego-Bohra H. Bichsel w pracy NIM B86 (994) 3 Założenie : przekrój czynny na zderzenie jonu z elekronem jes obcinany (0) dla energii elekronu E > E d zależnej od geomerii deekora. Warość E d rakujemy jako wolny paramer. Największa energia jaką elekron może uzyskać w wyniku zderzenia : mec β EM, gdzie β jes prędkością jonu. Przyjmujemy więc Ed E M. β Wówczas średnia energia zdeponowana w deekorze o grubości x i gęsości ρ : E BB π Z ρ x ln β 4 4 N Ae d M d Z β p mec Ad I E E, 78

9 Podsawiając warości sałych i kładąc d ρ x orzymujemy : E BB Z E E d M d d Z p ln MeV. Ad I β β [g/cm ] Należy zauważyć, że dla E d E M powyższa formuła przechodzi we wzór Behego opisujący sraę energii jonu w deekorze (absorbencie) sr. 87. Wariancja rozkładu energii zdeponowanej w obcięym modelu B-B wynosi : σ BB 0.57 Z p Z A d d E E d M β / d MeV. β [g/cm ] W granicy E d E M dosajemy wzór Bohra na rozrzu sra energii (sr. 94). 79 Porównanie modelu B-B z doświadczeniem : Behe-Bohr dla sra energii E d 80 kev E d 90 kev Obcięy Behe- Bohr dla energii zdeponowanej E d 0 kev 80

10 Przykłady idenyfikacji Widmo surowych paramerów E TOF E Fragmeny 86 Kr, GANIL A Q Przy zamknięych szczelinach i małych prędkościach : A Q 3.07γβ TOF A Q c, A Q + c Q TOF (względem ) 8 8

11 Bezwzględne warości Z i A/q Fragmeny 86 Kr, GANIL A/q.33 A/q.5 83 Idenyfikacja z czasem przelou względem Fragmeny AMeV, MSU, IX 004 Separaor A900 usawiony na 50 Fe, brak degradera, szczeliny przymknięe: p/p 0.5% /RF 4 ns 56 Ni 50 Fe Do pomiaru TOF wykorzysywany jes co drugi impuls. A Q 84

12 Bez degradera arcza Be 75 mg/cm Degrader w ognisku środkowym arcza Be 705 mg/cm, degrader Al 450 mg/cm 50 Fe 49 Mn 48 Cr 85 Usawienie na 45 Fe, degrader w ognisku środkowym, rzeczywisy czas przelou (scynylaor Si) 4 V i 44 Mn są już niezwiązane! Wąskie szczeliny : p/p 0.5% 86

13 Fragmeny 76 Ge, GANIL (M. Sawicka, rozprawa dokorska) Wybór sanu ładunkowego 0e e 0e E Z TKE A B A Q ρ Q A A Q 87 Idenyfikacja poprzez izomery mikrosekundowe Deekory promieniowania γ umieszczone są w pobliżu miejsca zarzymywania jonów. Rejesrują one foony ylko w czasie ~ 0 µs po zarzymaniu jonu. Przykład : widmo γ skorelowane z jonami 70 Ni 70 Ni projekcja na oś energii 88

14 Fragmeny 08 Pb, GSI (M. Pfüzner i in., PRC65 (00) ) Wybór sanu ładunkowego Hf Ta Sama komora jonizacyjna nie wysarcza do rozdzielenia liczb Z Idenyfikacja nuklidu bez pomiaru E E Widmo γ skorelowane z jonami 77 Ta γ 89