Detekcja promieniowania elektromagnetycznego czastek naładowanych i neutronów Marcin Palacz Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów UW Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 1 / 30
Rodzaje i źródła promieniowania Promieniowanie elektromagnetyczne: γ, X Elektrony: rozpad β, konwersja wewnętrzna, elektrony Auger, elektrony delta Ciężkie czastki naładowane Neutrony: Rozpad α: A Z X A Z Z 2 Y +4 2 α Spontaniczne rozszczepienie (fragmenty) p, α, oraz cięższe jadra produkowane (rozpraszane) na wiazce Spontaniczne rozszczepienie Źródła (α, n) np 4 2α + 9 4 Be 12 6 C + 1 0 n Źródła (γ, n) Produkty reakcji na wiazce Zakres energii: ev do kilkudziesięciu MeV (1 ev= 1.6 10 19 J) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 2 / 30
Rodzaje promieniowania a detekcja Detekcja oddziaływanie promieniowania z materia. Promieniowanie z ładunkiem elektrycznym bez ładunku elektrycznego ciężkie czastki naładowane neutrony 10 5 m 10 1 m elektrony X i γ 10 3 m 10 1 m Promieniowanie z ładunkiem ciagłe oddziaływanie z elektronami w materiale. Promieniowanie bez ładunku (najpierw) jednokrotne, katastroficzne oddziaływanie. Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 3 / 30
Odziaływanie ciężkich czastek naładowanych Jednoczesne, ciagłe oddziaływanie w wieloma elektronami ośrodka, maksymalny jednokrotny transfer energii: 4Em e /m Produkcja elektronów δ Wzór Bethe (nierel.): de dx = 4πe4 z 2 m e v 2 n Z ln2m ev 2 I krzywa Bragga Zasięg Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 4 / 30
Odziaływanie elektronów procesy coulombowskie oraz radiacyjne: de dx = (de dx ) c + ( de dx ) r Zasięg: Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 5 / 30
Oddziaływanie neutronów oddziaływanie z jadrami: elastyczne i nieelastyczne rozpraszanie, wychwyt produktami oddziaływania sa ciężkie czastki naładowane najbardziej efektywny absorber: H Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 6 / 30
Podstawowe własności detektora W wyniku oddziaływania promieniowania z materiałem detektora generowany jest ładunek elektryczny (czas: ps to ns). Ładunek zebrany sygnał elektryczny (czas: ns to ms). 17-Apr-09 12:47:08 0 0 3500 1500 2200 2600 3000 3400 3800 Parametry: Widmo energetyczne wydajność ǫ = N rej /N (wewnętrzna, absolutna) energetyczna zdolność rozdzielcza (FWHM) Widmo czasowe P/T = N pik /N total czasowa zdolność rodzielcza czas martwy liniowość Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 7 / 30
Rodzaje detektorów Przykłady rodzajów detektorów: gazowe detektory jonizacyjne scyntylatory detektory półprzewodnikowe Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 8 / 30
Gazowe detektory jonizacyjne Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 9 / 30
Scyntylatory Energia kinetyczna padajacej czastki zamieniana na światło (najlepiej: natychmiastowa fluorescencja). scyntylatory organiczne: zwiazki CH wzbudzenia elektronów w molekułach stałe i ciekłe scyntylatory nieorganiczne: wzbudzenia elektronów w strukturze krystalicznej wysoka gęstość i Z mniej światła higroskopijne Liniowość, szybka odpowiedź, kształt impulsu może zależeć od rodzaju czastki. Współpracuja z urzadzeniem wzmacniajacym światło i przekształcajacym je na sygnał elektryczny (fotopowielacz, fotodioda). Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 10 / 30
Przykład: scynt. detektor czastek naładowanych Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 11 / 30
Detektor półprzewodnikowy przejście czastki powoduje wytworzenie par elektron-dziura mała energia potrzebna do wytworzenia jednej pary nośników materiały: Si, Ge rozdzielczość energetyczna 0.1% wysoka gęstość, małe rozmiary Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 12 / 30
Przykład: detektor α i p SiBall Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 13 / 30
Poziomy energetyczne jader atomowych 524 7100 (31/2 ) 6576 6 470 (29/2 ) 6106 147 5959 (27/2) 1228 1081 Excitation Energy (MeV) 4 2 0 (25/2 ) 4877 2177 (21/2 ) 2700 248 426 (19/2 ) 2274 395 (17/2 ) 2172058 (13/2 ) 226 1831 156 1675 607 (9/2 ) 1224 1224 836 783 441 (5/2 ) 0 4041 (23/2) 590 99 Cd 1234 3451 998 2453 (19/2 ) (11/2 ) (7/2 ) (21/2) 1176 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30
Poziomy energetyczne jader atomowych 6 524 7100 (31/2 ) 6576 470 (29/2 ) 6106 147 5959 (27/2) 1228 1081 jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra Excitation Energy (MeV) 4 2 0 (25/2 ) 4877 2177 (21/2 ) 2700 248 426 (19/2 ) 2274 395 (17/2 ) 2172058 (13/2 ) 226 1831 156 1675 607 (9/2 ) 1224 1224 836 783 441 (5/2 ) 0 4041 (23/2) 590 99 Cd 1234 3451 998 2453 (19/2 ) (11/2 ) (7/2 ) (21/2) 1176 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30
Poziomy energetyczne jader atomowych 6 524 7100 (31/2 ) 6576 470 (29/2 ) 6106 147 5959 (27/2) 1228 1081 jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra Excitation Energy (MeV) 4 2 (25/2 ) 4877 2177 836 (21/2 ) 2700 248 426 (19/2 ) 2274 395 (17/2 ) 2172058 4041 (23/2) 590 (13/2 ) 226 1831 156 1675 99 Cd 3451 998 2453 (19/2 ) (11/2 ) (21/2) 1176 kwanty te s a obserwowane jednocześnie (w koincydencji) 607 (9/2 ) 1224 1234 783 1224 (7/2 ) 0 441 (5/2 ) 0 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30
Poziomy energetyczne jader atomowych 6 524 7100 (31/2 ) 6576 470 (29/2 ) 6106 147 5959 (27/2) 1228 1081 jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra Excitation Energy (MeV) 4 2 (25/2 ) 4877 2177 (21/2 ) 2700 248 426 (19/2 ) 2274 395 (17/2 ) 2172058 (13/2 ) 226 1831 156 1675 607 836 (9/2 ) 1224 4041 (23/2) 590 99 Cd 3451 998 2453 (19/2 ) (11/2 ) (21/2) 1176 kwanty te sa obserwowane jednocześnie (w koincydencji) Tworzenie jadra w stanie wzbudzonym następuje np poprzez: reakcję fuzji-ewaporacji: 58 Ni + 45 Sc 103 In(CN) p3n + 99 Cd 1234 783 1224 (7/2 ) 0 441 (5/2 ) 0 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30
Poziomy energetyczne jader atomowych jadro atomowe emituje sekwencje kwantów γ, odpowiadajacych różnicom energii pomiędzy poziomami energetycznymi jadra kwanty te sa obserwowane jednocześnie (w koincydencji) Tworzenie jadra w stanie wzbudzonym następuje np poprzez: reakcję fuzji-ewaporacji: 58 Ni + 45 Sc 103 In(CN) p3n + 99 Cd rozpad radioaktywny: 137 Cs 137 Ba Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 14 / 30
Oddziaływanie kwantów γ z materia efekt fotoelektryczny: kwant γ oddziałuje ze zwiazanym w atomie elektronem, przekazujac mu cała swoja energię. Emitowany jest fotoelektron oraz kwant energia E γ jest (zwykle) w całości zdeponowana w detektorze w punkcie oddziaływania E e = hν E b τ const Z n /Eγ 3.5 n = 4, 5 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 15 / 30
Oddziaływanie kwantów γ z materia efekt fotoelektryczny: kwant γ oddziałuje ze zwiazanym w atomie elektronem, przekazujac mu cała swoja energię. Emitowany jest fotoelektron oraz kwant energia E γ jest (zwykle) w całości zdeponowana w detektorze w punkcie oddziaływania E e = hν E b τ const Z n /Eγ 3.5 n = 4, 5 rozpraszanie Comptona: E γ = E γ 1+(1 cos(θ)) E γ mec 2 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 15 / 30
Oddziaływanie kwantów γ z materia efekt fotoelektryczny: kwant γ oddziałuje ze zwiazanym w atomie elektronem, przekazujac mu cała swoja energię. Emitowany jest fotoelektron oraz kwant energia E γ jest (zwykle) w całości zdeponowana w detektorze w punkcie oddziaływania E e = hν E b τ const Z n /Eγ 3.5 n = 4, 5 rozpraszanie Comptona: E γ = E γ 1+(1 cos(θ)) E γ mec 2 kreacja par e + e (E γ > 1.02 MeV) spowolniony e + anihiluje dajac parę kwantów γ po 511 kev Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 15 / 30
Oddziaływanie kwantów γ porównanie Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 16 / 30
Oddziaływanie kwantów γ porównanie Przekrój czynny współczynnik proporcjonalności σ w równaniu: dn gdzie: dn = σndx - liczba rozproszonych czastek dx - grubość tarczy n N - liczba padajacych czastek na jednostkę powierzchni tarczy w jednostkowym czasie - gestość centrów rozpraszania w tarczy Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 16 / 30
Widmo kwantów γ w detektorze Ge E2 E1 Edet = E1 - E2 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 17 / 30
Widmo w detektorze Ge z osłona antykompton. E1 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 18 / 30
Detektor Ge z osłona antykomptonowską Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 19 / 30
Układy detektorów germanowych: OSIRIS Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 20 / 30
Układ detektorów germanowych: EAGLE Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 21 / 30
Widma surowe 58 Ni(205MeV) + 45 Sc trigger: 2n Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 22 / 30
Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30
Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x wychwyt elektronu 152 Eu przemiana beta 3 2 1530 1643 2 444 3 1234 2 1086 1408 867 1112 964 366 122 245 122 152 Sm 4 2 0 1123 3 4 755 779 411 2 344 0 344 0 152 Gd 1299 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30
Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x 07-Mar-05 20:44:03 7 7 1100 700 300 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30
Kalibracja energetyczna kwanty γ o znanych energiach (źródło promieniotwórcze) E γ = f(x) np. E γ = a 0 + a 1 x 121.8 kev kan. 204.6 344.3 kev kan. 620.5 07-Mar-05 20:44:03 7 7 1100 700 778.9 kev kan. 1432.5 1408.0 kev kan. 2607.8 300 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 23 / 30
Kalibracja energetyczna dopasowanie nr. kanału E γ (kev) 204.58± 0.03 121.783 ± 0.002 620.54± 0.08 344.276 ± 0.004 1432.53± 0.07 778.903 ± 0.006 2607.8 ± 0.2 1408.011 ± 0.014 kalibracja energetyczna E γ = 12.3 + 0.53515 x 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 numer kanalu Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 24 / 30
Widma po kalibracji energetycznej 58 Ni(205MeV) + 45 Sc trigger: 2n 264.1 264.1 263.8 263.8 263.9 07-Mar-05 21:39:04 ge1_cal 648.9 805.2 363.8 882.1 150000 512.3 678.6 729.3 916.9 300 500 700 900 07-Mar-05 21:39:04 ge2_cal 648.9 805.2 363.8 882.0 150000 512.3 678.6 729.3 916.9 300 500 700 900 07-Mar-05 21:39:04 ge3_cal 350000 648.6 363.6 804.7 512.1 728.6 881.8 916.5 150000 300 500 700 900 07-Mar-05 21:39:04 ge4_cal 350000 648.7 804.8 363.6 881.9 512.2 678.3 728.7 150000 916.8 300 500 700 900 350000 07-Mar-05 21:39:04 ge5_cal 648.7 805.0 363.6 512.1 729.0 881.9 916.7 150000 300 500 700 900 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 25 / 30
Poprawka dopplerowska γ detektor θ v E γ = E γ (1 + v c cos(θ)) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 26 / 30
Intensywność pików 225.9 07-Mar-05 21:48:24 3cn_cup 1228 1081 350 (25/2 ) 4877 836 99 Cd 216.4 606.6 2177 4041 (23/2) 590 3451 (21/2) 136.0 156.3 364.1425.8 440.5 288.7 247.4 263.8 296.0 394.4 510.6 409.5 458.1 746.7 804.7 1223.9 1184.4 600 1000 1400 1800 2200 2600 150 (21/2 ) 2700 248 426 (19/2 ) 2274 395 (17/2 ) 2172058 (13/2 ) 226 1831 156 1675 607 (9/2 ) 1224 1224 783 441 (5/2 ) 0 998 1234 2453 (19/2 ) (11/2 ) (7/2 ) 1176 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 27 / 30
Kalibracja wydajnościowa E γ I γ (kev) względna intensywność (tablice) 121.8 13620 244.7 3590 344.3 12750 411.1 1070 778.9 6190 964.1 6920 1112.1 6490 1408.0 10000 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30
Kalibracja wydajnościowa E γ I γ N γ (kev) względna liczba intensywność zliczeń (tablice) (widmo) 121.8 13620 4607 244.7 3590 1077 344.3 12750 3081 411.1 1070 227 778.9 6190 1003 964.1 6920 995 1112.1 6490 859 1408.0 10000 1022 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30
Kalibracja wydajnościowa E γ I γ N γ ǫ = N γ /I γ (kev) względna liczba wydajność intensywność zliczeń (tablice) (widmo) 121.8 13620 4607 0.34 244.7 3590 1077 0.30 344.3 12750 3081 0.24 411.1 1070 227 0.21 778.9 6190 1003 0.16 964.1 6920 995 0.14 1112.1 6490 859 0.13 1408.0 10000 1022 0.10 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30
Kalibracja wydajnościowa E γ I γ N γ ǫ = N γ /I γ (kev) względna liczba wydajność intensywność zliczeń (tablice) (widmo) 121.8 13620 4607 0.34 244.7 3590 1077 0.30 344.3 12750 3081 0.24 411.1 1070 227 0.21 778.9 6190 1003 0.16 964.1 6920 995 0.14 1112.1 6490 859 0.13 1408.0 10000 1022 0.10 Jeżeli znana jest absolutna aktywność źródła (A = A o e λt ), to możemy wyznaczyć absolutna wydajność detektora. Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 28 / 30
Krzywa kalibracji wydajnościowej 08-Mar-05 09:00:55 r1_eu.sin 10.00 5.00 2.00 400 800 1200 1600 Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 29 / 30
Krzywa kalibracji wydajnościowej 08-Mar-05 09:00:55 r1_eu.sin 10.00 5.00 2.00 400 800 1200 1600 Poprawka na wydajność detektora: I γ = N γ /ǫ(e γ ) Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 29 / 30
Podsumowanie Oddziaływanie z materia elektronów, ciężkich czastek naładowanych, neutronów i kwantów γ (X) Parametry charakteryzujace detektor: wydajność, rodzielczość energetyczna i czasowa, liniowość, P/T, czas martwy Jonizacyjny detektor gazowy, scyntylator, detektor półprzewodnikowy Kalibracja energetyczna i wydajnościowa detektora Literatura: Glenn F.Knoll, Radiation detection and measurement W.R.Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments Marcin Palacz Warsztaty ŚLCJ, 21 kwietnia 2009 slide 30 / 30