Sławomir Wronka, 03/04/2009r

Transkrypt

1 Accelerators and particle detectors around us Akceleratory i detektory cząstek wokół nas Sławomir Wronka, 03/04/2009r

2 Wczoraj Detektory Dziś

3 Wczoraj Akceleratory Dziś

4 Gdzie znajdziemy akceleratory id detektory? Badania naukowe Medycyna Przemysłł Ochrona granic Archeologia Ochrona zabytków Ochrona środowiska

5 Medycyna oddzielny wykład Diagnostyka Sterylizacja sprzętu ę Terapia Radioterapia standardowa Radioterapia hadronowa Wykorzystanie neutronów

6 Sterylizacja Sterylizacja radiacyjna sprzętu i materiałów medycznych jest prowadzona w celu zabicia drobnoustrojów i ich form przetrwalnikowych. Proces wykorzystuje silne właściwości ł ś ś i bakteriobójcze promieniowania jonizującego.

7 Sterylizacja Sterylizacja radiacyjna nie wywołuje radioaktywności w napromieniowanym produkcie, jest wiec pod tym względem całkowicie bezpieczna. Czynnikiem sterylizującym mogą być przyspieszone elektrony lub promieniowanie gamma.

8 Napromienianie żywności Radiacyjna metoda konserwacji żywności y Wiązka e - max. 10MeV, fotony max. 5MeV.

9 Napromienianie żywności Zapobieganie psuciu się żywności poprzez eliminacje bakterii, pleśni, grzybów i pasożytów powodujących jej rozkład Eliminacja drobnoustrojów chorobotwórczych do poziomu zapewniającego bezpieczeństwo konsumpcji Przedłużenie ż okresu składowania świeżych i howoców i warzyw poprzez hamowanie naturalnych procesów biologicznych - dojrzewania, kiełkowania itp. Niezastąpione w przypadku np. przypraw, suszonych warzyw - eliminowanie konieczności stosowania chemicznych środków konserwujących.

10 Przykład - truskawki Nienaświetlane po 7 dniach Napromienione wiązką elektronów po 17 dniach

11 Przykład - cebulka

12 Napromienianie żywności Prowadzone od wielu lat badania naukowe udowodniły, ze poddana obróbce radiacyjnej j żywność zachowuje wartość odżywcza oraz jest bezpieczna pod względem toksykologicznym i bakteriobójczym. Co z wolnymi rodnikami?

13 Wady: Poddawanie napromieniowaniu żywności y zanieczyszczonej mikrobiologicznie i wprowadzanie jej do obrotu jako czystej i świeżej. Promieniowanie jonizujące, podobnie jak inne metody, zabija drobnoustroje, ale pozostawia ich toksyczne produkty przemiany materii. Poddawanie działaniu promieniowania jonizującego świeżych owoców i warzyw może być mylące dla konsumenta przy ocenianiu ich świeżości i stopnia dojrzałości. Wydłużanie trwałości i czasu przechowywania leży wyłącznie w interesie przedsiębiorcy, a nie konsumenta.

14 Obróbki radiacyjne Sieciowanie polimerów, głównie polietylenu w postaci rur i taśm termokurczliwych

15 Nano-Membrany Kolorowanie kamieni i szlachetnych

16 Accelerator Mass Spectroscopy Radiowęgiel jest popularną nazwą 14 C - jedynego radioaktywnego izotopu węgla. Najważniejsze j cechy różniące ą atomy 14 C od zwykłych atomów węgla to: masa i radioaktywność. Choć w śladowych ilościach, radiowęgiel występuje powszechnie na Ziemi, dzięki produkcji przez promieniowanie i i kosmiczne. Okres połowicznego rozpadu 14 C wynosi 5730 lat.

17 Dzięki asymilacji z atmosfery, koncentracja 14 C w żyjących organizmach lądowych jest stała (R o ). Po obumarciu organizmu, ubytek 14 C spowodowany rozpadem promieniotwórczym nie jest dłużej równoważony i ilość 14 C zaczyna maleć.

18 Porównanie stosunków 14 C/ 12 C w próbce obumarłej materii organicznej (R m ) i w atmosferze pozwala na określenie wieku radiowęglowego. Ma on sens czasu, jaki upłynął od momentu obumarcia organizmu do chwili pomiaru. Z uwagi na fluktuacje naturalnej zawartości 14 Cwciągu wieków stosuje się krzywą kalibracyjną:

19 Znane poprawki Przemysłowa Na wybuchy termojądrowe Na leżenie w wodzie Krzywa kalibracyjna uzyskiwana z drzew

20

21 Względne naturalne zmiany koncentracji izotopu 14 C w atmosferze

22 Jak mierzymy? Źródło /próbka/ Magnes analizujący Akcelerator Poznańskie Laboratorium Radiowęglowe

23 Najsłynniejsze zastosowania: Datowanie okresu działalności Człowieka z Alp Tyrolskich yos na a B.C. Datowanie płótna Całunu Turyńskiego

24 Pobór próbek 21.IV.1988, 1988,wycięto wycinek 10 mm * 70 mm daleko od łat i przepaleń z wycinka otrzymano trzy oddzielne próbki analogicznie przygotowano i zapakowano po trzy próbki kontrolne z eksponatów muzealnych zestawy po cztery kontenery przekazano do laboratoriów, które nie znały numeru pojemnika z próbką Całunu wszystkie operacje przygotowywania prób dokumentowano na video i fotografowano

25 Wyniki Wynik datowania płótna Całunu turyńskiego metodą AMS: AD Próby kontrolne: len z grobowca Qasr Ibrim w Nubii - (szacowany na wiek AD) datowany na AD len z mumii Kleopatry (110BC -75AD) datowany na 9BC - 78 AD lniane nici z kapy biskupiej z Bazyliki Saint Maximin z Vermont ( AD) datowane na AD

26 Awięc falsyfikat? Próbki kontrolne dość "sterylnych" warunkach - nie narażone na zanieczyszczenia Najbardziej jnarażone na zanieczyszczenia są ą tkaniny zbudowane z włókien o średnicy mikronów - ich powierzchnia wystawiona nadziałanie zanieczyszczeń jest olbrzymia Materiały lniane poddane wysokim temperaturom w obecności ś wody, dwutlenku i tlenku węgla wchłaniają młodszy węgiel - praktycznie materiał jest "odmładzany"

27 Raymond Rogers: Badania próbek Całunu Turyńskiego poddanych testowi na węgiel C14, Thermochimica acta (vol. 425 issues 1-2) r r : Badania pyrolitycznym spektrometrem masowym oraz obserwacja mikroskopowa i badania mikrochemiczne wykazały, że próbka poddana testowi węglowemu nie była częścią oryginalnego płótna Całunu. Wynik próby węglowej nie określił zatem prawdziwego wieku Całunu ł Turyńskiego.

28 Wilhelm Conrad Röntgen ( ) Promieniowanie X Jedno z największych osiągnięć dla medycyny From D. Robin Bertha Röntgen 8 Nov, 1895 Zdjęcie współczesne

29 Tomografia komputerowa - CT

30 Radiografia /radioskopia/

31 Radiografia X akceleratory e - do ~15 MeV

32 X vs neutrony

33 Radiografia neutronowa

34 Przykład B. Schillinger TUM obiekt promienie X kev promienie γ MeV neutrony termiczne

35 Krok do przodu tomografia przemysłował

36 Radiografia mionami i neutrinami

37 Deszcz promieniowania kosmicznego Sea level muon intensity 10,000 m -2 min -1

38 Cosmic Ray Muon Spectra

39 Muon Range versus Energy Muon Range-Energy relation in Rock (Density 2.5 g/cm3) 1000 Range (metres) Muon energy (GeV) Walter Gilboy, Paul Jenneson, Stefaan Simons, Steven Stanley, Dominic Rhodes

40 Radiografia mionowa aktywnego wulkanu muons Mt. Asama Mt. Iwate Japonia

41 Mt. Asama Mt. Asama H.Tanaka

42 Dlaczego miony?

43 Czy to bajka? Lata 60 seria eksperymentów w poszukiwaniu ukrytych komnat w piramidzie Chefrena (Giza, Egipt).

44 Metoda Miony przechodzącprze pustą komorę tracą oczywiście mniej energii. Detektor pod spodem powinien zaobserwować różnicę wskazań, jeżeli nad nim znajduje się ukryta komora.

45 The Alvarez Experiment: Final results of the project Alvarez wrote that the results of all this is that we found the pyramid to be quite solid, with no chambers comparable in size to those found above the plateau level, in the Great Pyramid.

46 Badania są kontynuowane Teotihuacan, Meksyk. k Piramida Słońca. Mieszkańcy opuścili miasto z nieznanych powodów ~700r, odkryte przez Azteków ~1300r. Detektory mionów pozwolą ą na wykonanie obrazów 3D wewnętrznej struktury piramidy.

47 Tomografia neutrinowa!

48 Tomografia neutrinowa Inner Core Core Mantle Neutrino oscillation tomography (NOT) Neutrino absorption tomography y( (NAT)

49 Neutrino absorption tomography (NAT) Neutrino source Neutrino propagation Scattered? Neutrino detection - Atmospheric - Cosmic - TeV neutrino beam? Weak interactions damp initial flux by absorption/deflection/regeneration / Integrated effect leads to attenuation (different for muon and tau neutrinos) Depends on nucleon density - Deep- sea neutrino detectors - Moving detectors? Walter Winter

50 Neutrino oscillation tomography (NOT) Źródło: Akcelerator? ν β? ν α Detektor daleki Detektor bliski Oscylacje neutrin zależą od oddziaływań z materią. Usiłujemy znaleźć właściwości materii

51 Bezpieczeństwo Ochrona granic Wykrywanie przemytu materiałów radioaktywnych Wykrywanie y przemytu materiałów wybuchowych, y narkotyków, przemytu ludzi Kontrola osób na lotniskach Ochrona antyterrorystyczna Wykrywanie min, materiałów wybuchowych

52 Kontrola granic w Polsce

53 Koncepcja wykrywania za pomocą mionów Los Alamos National Labolatory

54 Technika radiografii X

55 Technika radiografii X

56

57 Przyszłość? BIR

58 Wykrywanie materiałów niebezpiecznych

59 Skład chemiczny typowy y dla 3 grup materiałów: 1. Materiały wybuchowe => duża zawartość azotu (normalizowana do O) 2. Narkotyki => duża zawartość węgla i N (normalizowana do O) 3. Inne => mało C i mało N (normalizowana do O) C / O narkotyki inne materiały wybuchowe N / O Prof.Szeptycka 59

60

61

62

63

64 Kontrola osób

65 Kontrola osób Nowe techniki compton backscattering

66 Jak to działa?

67 Ochrona prywatności

68 Backscattering AS&E

69 Wykrywanie samobójczych ataków bombowychb AS&E Obraz z odległości 10m

70 LEXID, Physical Optics Corporation, USA X-latarka

71 Patrole antyterrorystyczne

72 FORCE PROTECTION WORKING G GROUP, IED

73 improvised explosive device detection HAXIS, Physical Optics Corporation, USA

74 Promieniowanie synchrotronowe Medycyna, biologia, chemia, fizyka, ochrona środowiska

75

76 Co oznacza jasne?

77 Promieniowanie synchrotronowe

78 Współczesne synchrotronowe źródła światła akceleratory optymalizowane pod kątem produkcji promieniowania synchrotronowego ESRF- France APS - USA

79 Przykładowe zastosowania before estrogen loss after estrogen loss Badania nad osteoporozą Angiografia

80 LIGA X-ray litography

81 Jasność rośnie szybciej niż prędkości procesorów! A million more X-rays X-ray Brightness Computing speed One billion One million Computing speed X-ray Brightness Computing speed

82 Analiza fluorescencyjna Czuła metoda analityczna do określania koncentracji pierwiastków Szeroko wykorzystywana w różnych dziedzinach nauk podstawowych i w badaniach interdyscyplinarnych

83 Analiza fluorescencyjna Rejestracja charakterystycznego promieniowania X emitowanego z atomów na skutek jonizacji wewnętrznych powłok atomowych promieniowaniem wzbudzającym. Otrzymujemy informację o rodzaju pierwiastka oraz koncentracji pierwiastka zawartego w próbce.

84 Przykładowe widmo Intensywności zarejestrowanych linii sąą wprost proporcjonalne do stężenia badanego pierwiastka w próbce.

85 XRF X-Ray X Ray Fluorescence metoda wykorzystująca wzbudzanie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego atomów tarczy przez fotony z lampy rentgenowskiej RXRF-Radioisotope X-Ray Fluorescence wzbudzanie promieniowaniem ze źródeł promieniotwórczych SRIXE(SR-XRF) XRF) Synchrotron Radiation Induced X- Ray Emission wzbudzanie silnym promieniowaniem synchrotronowym PIXE Particle Induced X-Ray Emission wzbudzanie cząstkami naładowanymi z akceleratora

86 PIXE Particle Induced X-ray Emission Protony Energia 1-3 MeV Charakterystyczne promieniowanie X

87 Struktura Staroegipskich Malowideł Ściennych 1. Baza Ściana (wapień, piaskowiec, cegła) 1 2a 2b Grunt a) Warstwa gruboziarnista (Piasek, gips) b) Warstwa drobnoziarnista (Piasek, gips) 3. Tynk (gips) 4. Farba Przekrój malowidła ściennego

88 Mapy μpixe zielonego pigmentu Grobowiec Totmesa III (N.34) 1504 BC Ca Face (one grain) 1500 Ca Zieleń ń egipska Wolastonit CaCuSiO 3 Cu Yield Si Fe Cu Sample LT5.s4 μ PIXE E=3.05 MeV protons Dresden 03/4/2008 Energy (kev) Korman, Turos

89 Paryż

90

91 Dziękuję za uwagę Wykorzystano materiały m.in: W.Scharf, A.Sessler, L.Lamm, H.Tanaka