Mag- és neutronfizika 4. elıadás Sugárzás és anyag kölcsönhatása: (ismétlés, összefoglalás)

Átírás

1 Mag- és neutronfizika 4. elıadás Sugárzás és anyag kölcsönhatása: (ismétlés, összefoglalás) Elektromosan töltött részek közvetlenül ionizálnak (elektronok, protonok, nagy energiájú atommagok) Ionizáció jellemzıje: de/dx (Linear Energy Transfer,LET) Elektromosan semleges részecskék közvetve ionizálnak Gamma-sugárzás: fotoeffektus, Compton-szórás szórás,, párkeltés (nagy energiájú elektronokat kelt) Neutron-sugárzás: rugalmas szórás, atommag-reakció (nagy energiájú protonokat/atommagokat kelt) Detektorok Mőködésük a sugárzásnak az anyaggal való kölcsönhatásán alapul. Felerısítik a sugárzásnak az anyaggal való kölcsönhatásából fakadó jelet makroszkopikus méretőre. 1/21 Az anyagban leadott energia következményei lehetnek: ionizáció ionizációs kamra, GM-csı kémiai ill. fiziko-kémiai kémiai változás fotoemulzió, ködkamra atomok/molekulák gerjesztése, majd a legerjesztıdést követı fényfelvillanás (szcintilláció) szcintillációs detektorok elektron-lyuk lyuk párok keltése félvezetıkben félvezetı detektorok Sugárzás áthatolóképessége Érzékelés bonyolultsága Nagyon kicsi Nehéz,, mivel a sugárzás már (pl. kis energiájú β, a detektor érzékeny térfogatába vagy α-részek) jutás elıtt elnyelıdik Nagyon nagy (pl. neutrínók, vagy nagyon nagy energiájú részecskék) Nehéz,, mivel a sugárzásnak kicsi a LET értéke, ezért kis térfogatban nagyon kis energiát ad csak le. Hatalmas térfogatban (és sőrő anyagban) lehet csak detektálni 2/21 Detektálási hatásfok Teljes detektálási hatásfok: (detektált részecskeszám) ε teljes = (kibocsátott részecskeszám) A teljes detektálási hatásfok két részbıl áll: Geometriai hatásfok: Azt fejezi ki, hogy a forrásból kibocsátott részecskék közül nem mindegyik éri el a detektort. Pontszerő forrás és kis mérető, távoli detektor esetén egyszerően meghatározható: F ε G = 2 4πR Itt R a forrás-detektor távolság, F pedig a detektor érzékeny felülete (a forráshoz húzott egyenesre merılegesen) F R 3/21 Bonyolultabb geometria (kiterjedt forrás és/vagy detektor) esetén a geometriai hatásfok csak bonyolultabb számítással határozható meg. 4π számláló: olyan detektor, amelyre ε G = 1, azaz a forrásból kibocsátott minden részecske eléri a detektort! (Ezeknél általában a detektor körülveszi a forrást) Belsı (intrinsic( intrinsic) ) hatásfok A detektor általában nem detektál minden ráesı részecskét. (a nagy hatótávolságú részecskék egy része áthalad a detektoron) (detektált részecskeszám) ε int = (detektort elérı részecskék száma) A teljes hatásfok tehát: ε teljes = ε G ε int 4/21 1

2 Részecskék nyomait láthatóvá tevı detektorok Fotoemulzió Szilárdtest nyomdetektor Ködkamra Buborékkamra A detektorok csoportosítása Részecskeszámlálók Gáztöltéső számlálók o Ionizációs kamra o proporcionális kamra o Geiger-Müller számláló (GM-csı) Szcintillációs számlálók Félvezetı detektorok o HPGe (nagy tisztaságú germánium) o Ge(Li), Si (Li)) detektorok o Felületi záróréteges detektorok 5/21 Részecskék nyomait láthatóvá tevı detektorok 1) Fotoemulzió: A radioaktivitás felfedezését (Becquerel,, 1896) az tette lehetıvé, hogy a sugárzás hatására a fényképezılemez megfeketedett. radiográfia film doziméter mai hasznosítások A lemezben AgI és AgBr szemcsék vannak. Az ionizáció hatására a molekulák szétesnek, és fém ezüst (Ag( Ag) válik ki a részecske pályája mentén (látens kép) Az elıhíváskor ezek a centrumok katalizátorként viselkednek, ezek körül egyre nagyobb mérető blob blob -okok alakulnak ki ( jelerısítés ). Ezek már mikroszkóppal láthatóak. A fixálás a blobok növekedését megállítja 6/21 2) Szilárdtest nyomdetektor Egyes szilárd szigetelıanyagokban a nagy LET értékő részecskék roncsolják az anyagot, szubmikroszkópikus anyaghibák keletkeznek (látens kép) Maratás : a hibák körül gyorsabb oldódás ( jelerısítés ), azaz mikroszkóppal is látható nyomok alakulnak ki. Leggyakoribb detektoranyagok: Cellulóz-nitrát. α-részecskékre is érzékeny. Környezeti hatásokra is érzékeny, emiatt külön kell kalibrálni. Marószer: NaOH. Cellulóz-triacetát (CTA) és cellulóz-acetát acetát-butirát (CAB). Környezeti hatásokra kevésbé érzékeny. Marószer: NaOH. Polikarbonátok. Mőanyagfólia alakjában készülnek. Csak nehézionok hagynak bennük nyomot. Marószer: NaOH Egyes üvegek. Csak nehézionokat (A>32) detektál. Marószer: tömény HF. Egyes ásványok (pl. csillám, olivin). Csak nehézionokat (A>28) detektál. Marószer: tömény HF, ill. NaOH, KOH. 3) Ködkamra (C.T.R. Wilson , 1959, Nobel-díj 1927) Túltelített gızben megindul a köd lecsapódása az ionok, mint lecsapódási centrumok körül ( jel erısítése ) Vékony ködfonal alakul ki a részecske pályája mentén. Részecskék képe ködkamrában, KOH. 7/21 8/21 2

3 4) Buborékkamra (D.A. Glaser 1926-,, Nobel-díj 1960) Túlhevített folyadékban megindul a forrás az ionok, mint zavarcentrumok körül ( jel erısítése ) Vékony buborékfonal alakul ki az ionizáló részecske pályája mentén. Összehasonlítva a ködkamrával: anyagsőrőség nagyobb (folyadék) nagyobb hatásfok (kisebb LET-ő ő részecskék) Hatalmas méreteket lehet készíteni nagyenergiájú részecskék detektálása 9/21 Részecskeszámlálók 1. Gáz töltéső detektorok Az ionizáló részecskék a gázban elektron-ion párokat keltenek A gázban lévı elektródok elektromos tere ezeket szétválasztja és begyőjti elektromos áramlökés keletkezik Az elektromos áramlökést elektronikusan erısítjük Az erısített impulzusokat feldolgozzuk (megszámláljuk, amplitúdójukat megmérjük stb.) belépı ablak töltıgáz anód (+) katód (-) telep R kimenı jel (feszültséglökés) vagy A 10/21 Kétféle üzemmód: Impulzus-üzemmód (számlálás, amplitúdómérés stb. ) Folyamatos áram (nagy intenzitású sugárterek, pl. reaktor) Néhány fontos folyamat a gázban 1) A begyőjtés ellen dolgozik a rekombináció (ionok ismét találkoznak elektronokkal, és a már szétvált töltések újra egyesülnek) Emiatt elég nagy térerısség kell a töltések teljes begyőjtéséhez Néhány fontos folyamat a gázban (2) 2) Gázerısítés (lavina-folyamat) Nagy térerısség az elektronok két ütközés között nagy mozgási energiát nyernek másodlagosan ionizálnak,, új elektron-ion pár keletkezik. több töltést lehet begyőjteni, mint amit a detektált részecske választott szét eredetileg + e - feszültség impulzus e - + R vagy A 11/21 12/21 3

4 Begyőjtött töltés mennyisége Ezek eredményeképpen a jelek amplitúdója (begyőjtött töltés mennyisége) a következıképpen függ a detektorra adott feszültségtıl (detektor karakterisztika) Rekombinációs tartomány Ionizációs kamra tartománya Proporcionális tartomány E1 E2 E3 Feszültség Korlátozottan Prop. tartomány Geiger-Müller tartomány Folyamatos kisülés A gáztöltéső detektorok típusai: Ionizációs kamra minden elsıdleges töltést és iont begyőjtünk, de csak azt! Kis amplitúdójú jelek,, nagy utóerısítés kell. Részecske által leadott energia mérésére alkalmas Proporcionális kamra gázerısítés még a proporcionális tartományban nagyobb amplitúdójú jelek Energiamérésre alkalmas Geiger-Müller számláló (GM-csı) nagy gázerısítés, nagy amplitúdójú jelek amplitúdó független a gázban leadott energiától Energiamérésre nem alkalmas,, csak részecske számlálásra (E1 > E2 > E3 a bejövı részecske által a gázban leadott energia) 13/21 14/21 Neutrondetektorok (probléma: csak neutront számláljon, mást ne) 1) BF 3 számláló Lényegében bór-trifluorid gázzal töltött proporcionális kamra. 10 B+n 4 He + 7 Li + 2,79 MeV A keletkezett töltött részecskék ( 4 He, ill. 7 Li) kapják az energiát, erısen ionizálnak a gázban a kamra impulzust ad ki. 2) 3 He számláló 3 He gázzal töltött proporcionális kamra. 3 He+n 3 H + 1 H + 0,76 MeV A keletkezett töltött részecskék ( 3 H, ill. 1 H) kapják az energiát, erısen ionizálnak a gázban a kamra impulzust ad ki. 3) Hasadási kamra proporcionális kamra, amelyben urán- bevonatú lemezek vannak 235 U +n hasadványok +neutronok MeV A hasadás során keletkezett nagy energiájú hasadványok erısen ionizálnak a gázban a kamra impulzust ad ki (áramot jelez). 2. Szcintillációs detektorok Egyes anyagokban fényfelvillanás (szcintilláció) jön létre, ha energiát kapnak becsapódó részecskéktıl Fluoreszcencia azonnali fényfelvillanás (t < s) Foszforeszcencia késleltetett fénykibocsátás (t > s) Anyagát tekintve lehet szilárd folyadék gáz szervetlen szerves Már a magfizika ıskorában is használták: spinthariscope (1903 W. Crookes) Felépítése: vékony ZnS (cinkszulfid) réteg, amelyet nagyító figyel A ZnS-ban a becsapódó részecskék hatására felvillanások (szcintillációk) keletkeznek. ez). 15/21 16/21 4

5 Szilárd, szervetlen (kristályos) szcintillátorok Többségük ionkristály, valamilyen alkálihalogenid (alkáli fém és halogén vegyülete) o NaI(Tl) nátriumjodid (talliummal szennyezve) o CsI(Tl) céziumjodid o LiI(Eu) lítiumjodid (európiummal szennyezve) o CaF 2 (Eu) kalciumfluorid Szennyezés igen kis mennyiségben (nyomokban) o a szennyezés az aktiváló, ez biztosítja a felvillanást o Pl. Eu a kristályban csak ezreléknyi mennyiségben van Kristályokból nagy méreteket lehet növeszteni Kettıs elıny: nagy atomsőrőség (szilárd) Nagy hatásfokú nagy méret detektor! A szcintillációt ma már nem szabad szemmel figyelik! Fotoelektron-sokszorozó (photomultiplier) 17/21 A detektálás lépései (pl. γ-foton detektálása): A γ-foton kölcsönhat a szcintillátor anyagával: energiát ad át egy elektronnak (Compton( Compton-szórás, fotoeffektus,, párkeltés) A keltett elektron az útja mentén energiát ad át a kristálynak (de/dx) és megáll (vagy kiszökik, ha kicsi a kristály) Az átadott energiára a kristály szcintillációval felel. Látható fotonok keletkeznek. A fotonok száma arányos az átadott energiával (!) A keltett (látható) fotonok elhagyják a kristályt, és belépnek a fotoelektron-sokszorozóba 18/21 A fotoelektron-sokszorozó mőködésében két folyamat lényeges: külsı fotoeffektus szekunder elektronok 1) Külsı fotoeffektus 2) Szekunder elektronok Foton ütközik egy elektronnal a fémben, és a teljes energiáját átadja neki E = hv elektron E kilépés Einstein ennek megmagya- rázásáért kapott Nobel-díjat 1922-ben! Nagy energiájú elektronok újabb elektronokat ütnek ki A fotoelektron-sokszorozó tehát egy speciális erısítı : nagy erısítéső (~10 6 ) kis zajú 19/21 A mőködés lépései: A A beesı foton külsı fotoeffektussal kiváltja az elsı fotoelektront a fotokatód anyagából az elektron gyorsul az elsı dinóda felé a dinódára beesı gyors elektron szekunder elektronokat vált ki ezek a következı dinóda felé gyorsulnak, és újabb szekunder elektronokat váltanak ki stb végül az anódon begyőjtjük a sok elektront áramlökés 20/21 5

6 Becslés az áramlökés nagyságára: Tegyük fel, hogy az erısítés 10 6, azaz 1 elektronból 10 6 elektron lesz Az áramlökés ideje kb. 0,1 µs =10-7 s. Az áram átlagos nagysága: I = 106 1, /10-7 = 1, A = 1,6 µa. Szcintillációs kristályt tartalmazó detektor felépítése szcintillátor kristály (cserélhetı) Fotoelektron-sokszorozót (α, ill. β-sugárzás detektálására + elektronikát tartalmazó ház vékony fémfóliával fedett) 21/21 6