Nowatorskie rozwiązanie:tpc z odczytem optycznym (prof. Wojciech Dominik) Do wnętrza komory wpada promieniotwórczy jon i zatrzymuje się w gazie. Po pewnym czasie następuje rozpad z emisją cząstek naładowanych (p, α,...) Detektor pozwala zrekonstruować tory tych czastek w przestrzeni. incoming identified ion gas at atmospheric pressure ionization electrons p e E v drif 1 cm/µs HV electrodes gating electrode Gas electron multiplier (GEM) 70 µm Trigger charge amplification GEM foils light Recording system CCD PMT Tydzień 5 Zamiast zbierać wzmocniony ładunek na anodzie, rejestrujemy światło emitowane na ostatnim stopniu wzmocnienia Do wzmocnienia gazowego używamy folii GEM 123
Po wyzwoleniu przez sygnał zewnętrzny, detektor zbiera, przez ustalony czas ekspozycji, dwa rodzaje danych. Kamera CCD rejestruje obraz, a sygnał z fotopowielacza (PMT), próbkowany i zapisywany przez oscyloskop, reprezentuje intensywność światła w funkcji czasu. Sygnał z PMT Czasowa sekwencja zdarzeń Obraz z CCD Implantacja jonu rozpad czas rozpadu Ekspozycję CCD można włączyć tuż po zatrzymaniu jonu, wtedy jego tor nie jest widoczny szczegóły rozpadu Tydzień 5 124
Obraz CCD przedstawia rzut toru na płaszczyznę XY. Z θ Y Zapis czasowy (oscyloskop) odpowiada rzutowi toru na kierunek dryfu (Z) t υ 10 mm/ µ s L d PMT =υ t d X φ t = 5 µs PMT XY L o Kamera CCD ( ) 2 L = + = 2 115 5 10 125 mm = 7.8 MeV T α L xy =115 mm Tydzień 5 125
Przykład : Rozpad 6 He z emisją α i d Eksperyment wykonany w CERN-ISOLDE w 2012. Do detektora wpadała paczka jonów 6 He, po czym zaczynała się ekspozycja 1s. Rozpad z emisją α i d następuje bardzo rzadko ( 10-6 ). Celem pomiaru było ustalenie energii emitowanych cząstek ( ) E = 1± 0.03 MeV CM Wynik symulacji wg programu SRIM W03/95 Tydzień 5 126
Detektory scyntylacyjne Pewne materiały wykazują właściwość luminescencji, co oznacza, że po wzbudzeniu ich molekuł deekscytacja odbywa się poprzez emisję światła w przedziale widzialnym. W szczególności, gdy zjawisko to jest wywołane przez promieniowanie jonizujące, materiał taki nazywamy scyntylatorem. Pierwszym przykładem scyntylatora jako detektora cząstek był siarczek cynku (ZnS) stosowany przez pionierów promieniotwórczości (Geiger i Marsden). Czastki α padajace na ekran ZnS wywoływały bardzo słabe błyski światła obserwowane przez mikroskop. Detektory scyntylacyjne zaczęły odgrywać ważną rolę po pojawieniu się fotopowielacza, który umożliwił wzmocnienie słabego sygnału świetlnego i przekształcenie go w sygnał elektryczny. Dziś scyntylatory należą do najbardziej rozpowszechnionych detektorów promieniowania, dzieki prostocie, niskiej cenie i dobrej wydajności. Tydzień 5 127
Budowa detektora scyntylacyjnego Kryształ scyntylatora, jest zamontowany na oknie fotopowielacza. Konieczne jest dobre sprzężenie optyczne (bez strat). Całość musi być dobrze osłonięta od światła zewnętrznego. PMT photomultiplier tube wzmocnienie w fotopowielaczu może osiągnąć 10 8-10 9 Tydzień 5 128
Zasadniczo ilość światła powstającego w scyntylatorze jest proporcjonalna do energii zdeponowanej przez promieniowanie. Ponieważ odpowiedź fotopowielacza też jest liniowa, detektor scyntylacyjny jest używany jako spektrometr. Sygnał wyjściowy jest jednak bardzo czuły na temperaturę i na wartości napięć w fotopowielaczu. Scyntylatory są z reguły bardzo szybkie i doskonale nadają się do pomiarów czasowych. Stała zaniku impulsu w pewnych materiałach może osiągać wartości poniżej nanosekundy. W niektórych scyntylatorach kształt impulsu pozwala odróżnić cząstki o różnym stopniu jonizacji (np. fotony od cząstek naładowanych). Bardzo wiele materiałów wykazuje własności scyntylacyjne. Są wśród nich ciała stałe, ciecze i gazy. Scyntylatory dzieli się na dwie główne grupy, różniące się mechanizmem świecenia: organiczne (kryształy, plastiki, ciecze), kryształy nieorganiczne. Tydzień 5 129
Scyntylatory organiczne Za świecenie odpowiadają swobodne, zdelokalizowane elektrony walencyjne w cząsteczce. Promieniowanie wzbudza te elektrony do wyższych stanów, a także stany wibracyjne molekuł. Deekscytacja prowadzi do różnych stanów wibracyjnych zbudowanych na elektronowym stanie podstawowym i towarzyszy jej emisja światła. Do tej kategorii należą kryształy organiczne (jak antracen C 14 H 10, naftalen C 10 H 8 ) oraz rozmaite plastiki (roztwory stałe organicznych molekuł w plastiku np. w polistyrenie) Szczególnie wygodne w użyciu są scyntylatory plastikowe. Są one też bardzo szybkie (2 3 ns). Stosowane do detekcji elektronów i cięższych cząstek naładowanych Tydzień 5 130
Kryształy nieorganiczne Pewne kryształy nieorganiczne, czasem domieszkowane aktywatorami, wykazują silne własności scyntylacyjne. Mechanizm świecenia wynika ze struktury pasmowej kryształu, a nie z właściwości jego molekuł. Cząstka jonizująca wzbudza elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Deekscytacja odbywa się poprzez stany w przerwie energetycznej obecne dzięki atomom domieszki (aktywatora). Do tej kategorii należy najczęściej używany scyntylator: NaI(Tl). Inne często spotykane to: CsI(Tl), BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ) i BaF 2. Od niedawna karierę robi LaBr 3 (Ce). W detektorze CMS zastosowany jest PbWO 4 (kalorymetr e-m). Tydzień 5 131
Kryształy nieorganiczne nie są tak szybkie jak plastiki (z wyjątkiem BaF 2 ). Dzięki dużemu Z są lepsze do detekcji promieniowania γ. Emitują dużo światła, co wpływa na lepszą zdolność rozdzielczą. NaI(Tl) zanik czasowy 250 ns, 38 fotonów/kevγ, higroskopijny BGO 300 ns, 10 fotonów/kevγ, dobra wydajność dla γ o dużej energii BaF 2 0.6 0.8 ns, 12 fotonów/kevγ, najszybszy scyntylator LaBr 3 (Ce) 16 ns, 63 fotonów/kevγ, najlepsza rozdzielczość, higroskopijny kwarc borosilikat szkło UV Widma emisyjne scyntylatorów nieorganicznych. Maksimum emisji dla szybkiej składowej w BaF2 jest przy 220 nm konieczne okienko kwarcowe. Tydzień 5 132
Dla energetycznej zdolności rozdzielczej decydująca jest ostateczna liczba nośników ładunku, które rejestrujemy. W przypadku scyntylatorów jest to liczba elektronów na wejściu fotopowielacza. Musimy wziąć pod uwagę wydajność kolekcji fotonów na oknie fotopowielacza (typowo 40-50%) i wydajność fotokatody, czyli prawdopodobieństwo konwersji fotonu na fotoelektron (w maksimum 20-30%). Średnio 10% pierwotnych fotonów zamienia się na fotoelektrony. 60 Co emituje 2 linie γ: 1173 kev i 1333 kev 260 ev/fotoelektron 160 ev/fotoelektron 830 ev/fotoelektron Tydzień 5 133
Detektory półprzewodnikowe Postęp w technologii materiałów półprzewodnikowych wywołał na początku lat 60-tych XX w. prawdziwą rewolucję naukowo-techniczną, także w metodach detekcji promieniowania. Główne zalety półprzewodnika, to duża gęstość (ciało stałe) i bardzo mała energia konieczna do wytworzenia pary nośników ładunku (W). Półprzewodnik typu n, (domieszkowany np.fosforem) Dwa najważniejsze materiały półprzewodnikowe jako detektory: krzem (Si), W=3.63 ev german (Ge), W=2.96 ev Półprzewodnik typu p, (domieszkowany np. borem) Tydzień 5 134
Złącze p-n Na złączu między półprzewodnikami typu n i p tworzy się samoistnie warstwa zaporowa (depletion region) wskutek dyfuzji nośników większościowych do obszaru sąsiedniego i ich rekomrekombinacji. Złącze ma charakter prostowniczy. Polaryzacja złącza w kierunku zaporowym ( + po stronie n, po stronie p) rozszerza warstwę zaporową. Warstwa zaporowa to obszar pozbawiony nośników ładunku, w którym występuje pole elektryczne. Analogia do komory jonizacyjnej Tydzień 5 135
Złącze p-n jako detektor promieniowania jonizującego Detektory krzemowe są stosowane do detekcji cząstek naładowanych (elektrony, ciężkie jony) Detektory germanowe, dzięki większej liczbie atomowej (Z=32) są znacznie lepsze do rejestracji promieniowania γ. Ze względu na mniejszą przerwę energetyczną muszą pracować w temperaturze ciekłego azotu. Tydzień 5 136
Przykład : Identyfikacja liczby atomowej jonów poprzez pomiar ich strat energii w detektorze Si o grubości 300 µm (70 mg/cm 2 ). Dane z eksperymentu w laboratorium GANIL, Caen (Francja). Fragmenty 112 Sn @ 60 A MeV Liczba Z wyznaczona na podstawie wartości E i prędkości jonu : Z E f ( υ) Ne Sn Tydzień 5 137
Detektory paskowe i pikselowe Zastosowanie elektrod paskowych pozwala określić współrzędne toru cząstki Jeśli dwie cząstki przejdą jednocześnie, to wyznaczenie ich pozycji nie jest jednoznaczne! Przy dużym strumieniu cząstek konieczny jest detektor pikselowy Tydzień 5 138
Detekcja promieniowania γ Foton promieniowania γ przekazuje energię elektronom w materiale detektora i ich energia jest rejestrowana. Najbardziej pożądane są zdarzenia, w wyniku których cała energia fotonu jest zarejestrowana przez detektor (pik pełnej energii). Jednak często foton zostawia tylko część swojej energii. Schemat widma dla monoenergetycznego promieniowania γ (E γ > 1022 kev) Tydzień 5 139
Porównanie rozdzielczości energetycznej detektora germanowego i kryształu NaI Źródło 137 Cs Eγ = 662 kev Ge: FWHM 1 kev NaI: FWHM 40 kev Widmo γ dla źródeł 108m Ag i 110m Ag Tydzień 5 140
Szereg 232 Th 240 kev 212 Pb 352 kev 214 Pb 1461 kev 40 K Szereg 238 U 609 kev 214 Bi 2614 kev 208 Tl Widmo tła promieniowania γ w budynku przy Pasteura 7. Czas pomiaru ok. 24 godz. Tydzień 5 141
Przykład : Nowoczesne układy wielu detektorów Ge do spektroskopii γ Large Gamma Arrays based on Compton Suppressed Spectrometers Tracking Arrays based on Position Sensitive Ge Detectors EUROBALL GAMMASPHERE AGATA Tydzień 5 ε 10 5 % ( M γ =1 M γ =30) ε 40 20 % ( M γ =1 M γ =30) 142
Przykład : Detektor CMS przy LHC Tydzień 5 143
Tydzień 5 144
Tydzień 5 145
Tydzień 5 146
Tydzień 5 147
Tydzień 5 148
Tydzień 5 149
Tydzień 5 150
Promieniowanie Czerenkowa Cząstka naładowana poruszająca się w ośrodku dielektrycznym w prędkością większą od prędkości fazowej światła w tym ośrodku, emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Zjawisko to zostało odkryte w 1934 roku przez Pawła Czerenkowa i wkrótce objaśnione przez I. Franka i I. Tamma. Ci trzej fizycy otrzymali za to nagrodę Nobla z fizyki w 1958 roku. Promieniowanie Czerenkowa powstaje, gdy prędkość cząstki: υ > υ = n f c n współczynnik załamania ośrodka Czoła fal tworzą powierzchnię stożkową. Kierunek rozchodzenia się p. Czerenkowa tworzy z kierunkiem ruchu cząstki kąt θ: c cosθ = = nυ 1 nβ Przykład: dla wody n = 1.33 maksymalny kąt rozwarcia: θ max = 41.2 Tydzień 5 151
Detektor Super-Kamiokande Detektor neutrinowy w rejonie Kamioka w Japonii, 1000 m pod ziemią. Komora o wymiarach 41 m 39 m wypełniona 50 tys. ton ultra czystej wody. Na wewnętrznych ścianach zbiornika zamontowano 11 tys. fotopowielaczy o średnicy 51 cm. W 1998 roku SK ogłosił pierwszą obserwację oscylacji neutrin. nagroda Nobla z fizyki, 2015 Tydzień 5 152
Dwa zdarzenia zarejestrowane przez detektor Super-Kamiokande 1998-04-04 08:35:22: mion o pędzie 603 MeV 1998-04-04 21:26:08 : elektron o pędzie 492 MeV http://www.ps.uci.edu/~tomba/sk/tscan/pictures.html Tydzień 5 153
Detektor Soudan-2 Detektor neutrinowy w północnej Minnesocie (USA), 700 m pod ziemią. Układ komór gazowych z projekcją czasu o całkowitej wadze 960 ton. Podobnie jak SK, zbudowany w celu poszukiwania rozpadu protonu. Cień Księżyca w świetle mionów rejestrowanych w detektorze Soudan 2 Krzyżyk pokazuje położenie Księżyca (przesunięcie jest wynikiem Ziemskiego pola magnetycznego) Tydzień 5 154