Detekcja promieniowania

Transkrypt

1 Detekcja promieniowania Detektory mogą dostarczać różnej informacji o promieniowaniu stwierdzać obecność cząstki, np. licznik Geigera-Millera Licznik G._M. jest licznikiem gazowym, pracującym przy tak dużym napięciu między elektrodami, że przejście cząstki jonizującej gaz wypełniający licznik powoduje wyładowanie lawinowe. mierzyć energię cząstki, np. gazowy licznik proporcjonalny i liczniki półprzewodnikowe, w których cząstka jonizująca wytwarza dużą liczbę par elektron-dziura (w Si na jedną parę potrzeba tylko 3.6 ev energii a w germanie nawet mniej 2.8 ev) a impuls tak powstający jest proporcjonalny do energii traconej przez cząstkę w detektorze. Jeżeli detektor jest tak gruby, że cząstka traci w nim całą energię to impuls elektryczny dostarcza informacji o tej energii. rozróżniać masę i ładunek cząstki (identyfikacja) Jeżeli cząstka przechodzi przez detektor ale zatrzymuje się w następnym to impulsy od cząstek o różnym Z i A będą grupowały się w oddzielne zbiory pozwalając na identyfikację cząstek: tzw. teleskop detektorów Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

2 Teleskop półprzewodnikowy Poniżej pokazane jest widmo koincydencyjne wielkości impulsów z dwu detektorów półprzewodnikowych pracujących jako teleskop Na osi pionowej impuls z pierwszego -- cienkiego detektora Na osi poziomej impuls z grubego detektora, w którym dużo cząstek zatrzymuje się. Wyraźnie widać grupy cząstek różniących się wartością Z 2 A. Większy odstęp widać dla różnych pierwiastków (proporcjonalny do Z 2 ) a mniejszy dla różnych izotopów (proporcjonalny do A). Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 2

3 identyfikacja (c.d.) Identyfikacja elektronów i kwantów gamma może być zrealizowana w tzw. kalorymetrach elektromagnetycznych tzn. układach wielu warstw scyntylatora przedzielonych warstwami materiału absorbującego (np. Pb) w których wysokoenergetyczne elektrony i kwanty gamma wywołują kaskadę ( shower ) fotonowoelektronową. Dodatkowe rozróżnienie pomiędzy fotonem i elektronem realizuje się przez obserwację sygnału jonizacji z detektora przed kalorymetrem (foton oczywiście nie zostawia takiego śladu). Ilość światła rejestrowana w scyntylatorach jest proporcjonalna do energii elektronów stąd kalorymetr daje informację o ich energii. Cięższe cząstki (miony, piony itd.) nie wytwarzają kaskady takiej jak elektrony bo głównym mechanizmem tracenia energii jest jonizacja a nie promieniowanie hamowania jak dla elektronów Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 3

4 identyfikacja (c.d.) Miony, które są leptonami o masie zbliżonej do pionów odróżnia się przez fakt, że nie wywołują reakcji jądrowych powodowanych silnym oddziaływaniem. Stosuje się w tym celu tzw. kalorymetry hadronowe (zbudowane podobnie jak kalorymetry elektromagnetyczne lecz z użyciem Fe w formie stali zamiast ołowiu). Obecność kaskady hadronowej wyklucza miony jako identyfikowane cząstki. Dla odróżnienia mionów i pionów można wykorzystać dodatkowy efekt: Ponieważ miony nie tracą energii w oddziaływaniach silnych więc mają większy zasięg niż piony o podobnej energii co powoduje, że przechodzą przez takie absorbenty gdzie piony są zatrzymywane. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 4

5 Identyfikacja cząstek (c.d.) Neutrony identyfikowane są przez obecność naładowanych cząstek produktów reakcji jądrowych wywołanych przez neutrony. Przy niskich energiach (do ok. 20 MeV) są to zwykle dwuciałowe reakcje (n,p) i (n,alfa) które mają widmo dyskretne a więc energia produktów mierzona np. w detektorze scyntylacyjnym pozwala stwierdzić obecność neutronu i jego energię. Przy wyższych energiach używa się głównie sprężystego rozpraszania neutronów na protonach Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 5

6 Detekcja cząstek c.d. mierzyć pęd cząstki zwykle do tego celu używa się silnego pola magnetycznego, które zakrzywia tor cząstki. Znając rozkład pola i tor cząstki można znaleźć jej pęd określać tor cząstki (jej pozycję) można przy pomocy grupy detektorów z których każdy podaje położenie punktu przez który przeszła cząstka. Mogą to być cienkie detektory krzemowe o niewielkich rozmiarach ( silicon strip detectors ), mogą to być jonizacyjne komory gazowe bądź też detektory scyntylacyjne podzielone na małe fragmenty. Można także używać komory pęcherzykowej, w której przegrzana ciecz (np. ciekły wodór) przy przejściu jonizującej cząstki wytwarza szereg bąbelków gazu wzdłuż toru cząstki, itp. określać czas dotarcia cząstki do detektora mierzony od pewnej chwili czasowej, np. chwili dotarcia cząstki stowarzyszonej z rejestrowaną do innego detektora, tzw. time-of-flight (TOF) czas przelotu Odróżniać cząstki bardzo szybkie (v~c) jak elektrony od powolniejszych (promieniowanie Czerenkowa), itd. itd. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 6

7 Detekcja cząstek Ważne jest uświadomienie sobie, że istnieje bardzo wiele różnych typów detektorów, zbudowanych na zasadzie wykorzystania różnych zjawisk fizycznych, Stosowanych zwykle w zespołach detekcyjnych o uzupełniających się własnościach, Dobranych do danego zagadnienia fizycznego Uzupełnionych o wyspecjalizowaną elektronikę do odczytu i zapisu danych W IFUJ budujemy różne detektory dla szeregu międzynarodowych grup naukowych, np. dla projektu PANDA Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 7

8 PANDA Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 8

9 The PANDA Detector - Tracking Zespół detektorów śledzących tor cząstek: Micro Vertex Detector, Central Tracker, Gas Electron Muliplier Stations, Mini Drift Chambers Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 9

10 MVD=Micro Vertex Detector Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 10

11 Straw Tube Tracker (detektory słomkowe) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 11

12 Straw Tube Tracker c.d. Ślady cząstek w układzie detektorów słomkowych zakrzywiane przez pole magnetyczne Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 12

13 MDC = Mini Drift Chambers Zespół komór dryfowych rejestrujących cząstki lecące w kierunku do przodu Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 13

14 Budowanie komór dryfowych w IFUJ Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 14

15 Budowanie komór dryfowych w IFUJ c.d. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 15

16 Biologiczne skutki promieniowania Promieniowanie padające na żywe organizmy powoduje podczas naświetlania te same efekty co przy oddziaływaniu z nieożywioną materią Skutki promieniowania mogą być jednak różne, ze względu na to, że żywe organizmy potrafią regenerować niewielkie uszkodzenia, gdyż w naturalnych warunkach też są naświetlane (radioaktywne izotopy w skorupie ziemskiej, promieniowanie kosmiczne) Jedna hipoteza, tzw. Hipoteza liniowa głosi, że zagrożenie chorobami nowotworowymi rośnie proporcjonalnie do dawki promieniowania zaczynając od najmniejszych dawek bliskich zeru (zdeponowanej energii na jednostkę masy) Istnieje także hipoteza, tzw. hormezy radiacyjnej, która polega na tym, że niewielkie dawki promieniowania powodują uodpornienie się organizmów na promieniowanie i w pewien sposób wzmacniają je, np. zmniejszając skłonność do produkcji nowotworów Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 16

17 Dawka pochłonięta Niezależnie od tego, która z powyższych hipotez jest prawdziwa, można stwierdzić, że duże dawki promieniowania są z pewnością szkodliwe a nawet mogą być śmiertelne. Dawka pochłonięta w danej tkance to całkowita energia zdeponowana w jednostce masy tkanki: Jednostką dawki jest Gray (Gy): 1 Gy = 1 J/kg Stara jednostka (czasem używana): 1 rad = 100 erg/g =0.01 Gy Dla biologicznych skutków ważne są zarówno Wielkość dawki promieniowania, jak i Czas w jakim ta dawka została pochłonięta (moc dawki) Rodzaj naświetlonej tkanki Rodzaj promieniowania Dlatego obok dawki pochłoniętej wprowadza się pojęcia dawki równoważnej (różne rodzaje promieniowania) dawki efektywnej (różne tkanki) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 17

18 Dawka równoważna Różne rodzaje promieniowania deponujące tę samą ilość energii w jednostce masy danej tkanki (dawkę pochłoniętą) mogą wywołać różne skutki biologiczne. Stąd wprowadza się współczynnik względnej skuteczności biologicznej (ang. RBE= Relative Biological Efficiency) oraz definiuje dawkę równoważną określającą reakcję biologiczną na pochłoniętą dawkę danego promieniowania jak taka sama dawka promieniowania gamma o energii 250 kev. Jednostka: 1 Sievert (Sv)=1J/kg (siwert) Dawna jednostka 1 rem = 0.01 Sv Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 18

19 Dawka efektywna Dawka efektywna E to dawka równoważna pomnożona przez współczynnik wagowy określający czułość danej tkanki T na uszkodzenia Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 19

20 Typowe roczne dawki efektywne (msv) Promieniowanie kosmiczne Na poziomie morza W górach 2000 m n.p.m Przelot samolotem (1600 km) Telewizja Promieniowanie gamma (promieniotwórczość gleby) Radon w powietrzu Jedzenie i napoje Prześwietlenie (prom. X) RAZEM Roczna dawka promieniowania w Polsce od 3,5-4 msv Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 20

21 Wybrane wielkości dawki Naświetlenie całego ciała dawką powodującą śmierć w ciągu 30 dni połowy ludzi napromieniowanych = 3 Sv Naświetlenie dawką 1Sv powoduje długofalowe skutki: 2% ludzi naświetlonych zachoruje na choroby nowotworowe (do końca życia) Rekomendowana górna granica dawki dla osób stale stykających się z promieniowaniem wynosi 20 msv/rok (uśredniona po 5 latach z tym, że w żadnym roku nie może przekroczyć 50 msv) Dla osób nie stykających się zawodowo z promieniowaniem zalecana jest dawka efektywna mniejsza niż 5 msv/rok (oprócz promieniowania środowiska naturalnego ) Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 21

22 Medyczne zastosowanie promieniowania Niszczenie komórek nowotworowych przez naświetlanie protonami lub cięższymi jonami np. 12 C. Krzywa Bragga zakończona maksimum jonizacji pozwala selektywnie naświetlić (bombardując z różnych stron) nowotwór położony na pewnej głębokości w tkance. Protony nie wywołują emisji nowych cząstek na końcu drogi, jak to mogą powodować ciężkie jony w IFJ w Krakowie czerniak oka Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 22

23 Medyczne zastosowania c.d. Niszczenie komórek nowotworowych przez podanie radioaktywnych substancji gromadzących się w wybranych tkankach. Zwykle używa się emiterów beta-minus Typowy przykład leczenie nadczynności tarczycy związanej z pojawieniem się wola. Tarczyca selektywnie chwyta jod z organizmu. Podanie izotopu 131 I 131 Xe+e(-)+ν o czasie połowicznego rozpadu 8,14 dnia niszczy komórki o najbardziej czynnej metabolicznie tkance (nowotworowej). Radioaktywne jądra pierwiastków występujących w chemicznie aktywnych pierwiastkach pozwalają śledzić jako znaczniki przebieg procesów biologicznych, np. żelazo w hemoglobinie, ksenon i krypton w płucach, itd. PET = positron emission tomography, przez anihilację e+ np. z izotopu pozwala przez rejestrację w koincydencji 2 kwantów gamma o energii 511 KeV rejestrować rozkład komórek gdzie preferencyjnie gromadzi się ten izotop Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 23

24 Niektóre zastosowania promieniowania Sterylizacja żywności Promieniowanie jonizujące (głównie kwanty gamma o energii ~1 MeV z 60 Co) zabija owady i mikroorganizmy bez zmian jakości żywności, z tym że rośliny tracą możliwość wzrostu. Jest to efektywna i tania metoda, nie wprowadzająca chemicznych konserwantów. Uważa się tę metodę za bezpieczną i jest stale rozwijana. Genetyczna modyfikacja roślin. Naświetlenie promieniowaniem gamma genów pewnych roślin (pszenica, jęczmień, ryż, trzcina cukrowa, bawełna ) wywołuje zmiany ich własności, które mogą być użyte do selekcji roślin pozwalając na zwiększenie odporności na choroby, na warunki pogodowe, na złe gleby a także pozwala zmienić okres dojrzewania (przyspieszyć lub opóźnić) i zwiększyć wydajność Mutacje wywoływane przez radioaktywność są znane i stosowane od 1960 r. W Europie i w byłym Związku Radzieckim używane były dla modyfikacji pszenicy, w USA dla modyfikacji jęczmienia, fasoli i grejpfrutów, w Pakistanie do modyfikacji ryżu, w Indiach do modyfikacji bawełny i trzciny cukrowej. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 24

25 Zastosowanie promieniowania (c.d.1) Sterylizacja owadów Naświetlenie w laboratorium samców szkodliwych owadów odpowiednio dużą dawką promieniowania powoduje ich sterylizację. Wypuszczenie dużej liczby sterylnych owadzich samców w terenie zagrożonym przez te szkodniki powoduje, że samice owadów nie mają potomstwa. W ten sposób bez użycia chemicznych środków populacja szkodliwych owadów maleje w szybkim tempie. Tę metodę zastosowano z oczekiwanym skutkiem w Japonii, w Meksyku, w Peru i w Egipcie do owadów atakujących owoce a w Afryce przeciwko muchom tse-tse. Defektoskopia przy zastosowaniu promieniowania gamma. Prześwietlanie promieniami X może być zastosowane tylko do cienkich materiałów oraz do takich, które mają niedużą gęstość. W przeciwnym wypadku można zastosować analogiczne prześwietlanie przy pomocy promieni gamma. Metodę taką stosuje się do szukania uszkodzeń lub innych defektów metalowych produktów. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 25

26 Zastosowanie promieniowania c.d. 2 Radioaktywne znaczniki Umieszczenie pierwiastka radioaktywnego w jakimś obiekcie pozwala śledzić jego rozprzestrzenianie się rejestrując promieniowanie pochodzące z tego pierwiastka. Na przykład pozwala to wykryć przecieki w tamach lub w podziemnych przewodach. Ta technika jest z powodzeniem stosowana do monitorowania rurociągów transportujących ropę naftową. Detektory ognia Źródło z radioaktywnym izotopem 241 Am powoduje stałą jonizację powietrza w pobliżu źródła. Jonizacja ta zmienia się gdy pojawiają się molekuły dymu. Ta zmiana jonizacji używana jest jako impuls wyzwalający sygnał alarmowy. Takie detektory są czułe na bardzo małą ilość dymu. Są one powszechnie stosowane w dużych magazynach, fabrykach i urzędach. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 26

27 Zastosowanie promieniowania c.d.3 Baterie jądrowe Źródła radioaktywne zawierające izotopy 238 Pu, 60 Co i 90 Sr są używane do budowy baterii elektrycznych o mocy kilkuset Watów. Ciepło wydzielające się z rozpadu zamieniane jest w elektryczność. Takie baterie używane są w satelitach i w trudno dostępnych stacjach meteorologicznych gdyż pozwalają na kilkuletnią niezawodną pracę bez obsługi. Na przykład sonda kosmiczna Voyager, wysłana w 1977 roku w stronę Neptuna, do którego dotarła w 1989 r., była wyposażona w 3 generatory prądu wykorzystujące rozpad izotopu 238 Pu. Baterie jądrowe używane są także do zasilania rozruszników serca Konserwacja dzieł sztuki Naświetlenie dzieł sztuki i przedmiotów znalezionych przez archeologów pozwala zniszczyć pleśń, owady i mikroorganizmy zagrażające tym obiektom oraz zapewnia im sterylność. Na przykład mumia Ramzesa II była tak konserwowana. Impregnacja drewna lub kamienia przy pomocy polimerów po naświetleniu promieniowaniem gamma stosowana jest do zabezpieczania przedmiotów wydobytych z zatopionych statków. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 27

28 Określenie wieku w archeologii Określanie wieku obiektów archeologicznych przez względną abundancję 14 C, który jest stale wytwarzany w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne i przyswajany przez rośliny. Gdy rośliny obumierają, przestają przyswajać węgiel a więc w nich następuje ubytek 14 C, o czasie półrozpadu lat. Dodatkowo można wyskalować przez obiekty o znanym wieku. Można określać wiek w zakresie lat Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 28

29 Określenie wieku meteorytów Badając stosunki Gdzie są stabilnymi izotopami a niestabilnymi izotopami, przy czym A B Badamy dwa izobary związane procesem wtedy i T 1/2 =4,75x10 10 lat Stosunek izotopów powinien być stały w chwili utworzenia meteorytów podczas gdy stosunek zależy od warunków ich tworzenia się Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 29

30 cd. Wieku meteorytów Jeżeli wiek meteorytów t jest identyczny to zależność Powinna być linią prostą z nachyleniem Okazuje się, że tak jest gdzie t lat a wynosił Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 30

31 Wiek bardzo starych gwiazd Szukano przez porównanie abundancji toru i uranu w ich atmosferze Zakładano, że abundancja toru i uranu w chwili utworzenia była taka sama, oraz że w tak starych gwiazdach pozostał tylko izotop 238 U Wiedząc, że czasy półrozpadu 238 U i 232 Th wynoszą odpowiednio 4,5x10 9 lat i 1,405x10 10 lat stwierdzono, że najmniejsza obserwowana względna abundancja 0,2 sugeruje na podstawie wzoru wiek gwiazd około 1,2x10 10 lat To uznano za argument, że tak stare gwiazdy pojawiły się już 10 9 lat po Wielkim Wybuchu, który zgodnie z oszacowaniami nastąpił 1,3x10 10 lat temu Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 31