Neutrondetektor szimulációja

Átírás

1 EÖTVÖS LORÁND TUDOMÁNY EGYTEM SZAKDOLGOZAT 2011 Neutrondetektor szimulációja Készítette: Szalkai Dóra Fizika szakos hallgató Témavezet: Dr Horváth Ákos egyetemi docens ELTE Atomfizikai Tanszék

2 1. Bevezetés Neutrondetektorok a világ sok részén találhatóak és sokféle elven mködnek. A neutronok és azok fizikai folyamatokban betöltött szerepének megismerésében több terület is érdekelt. Ilyen a nukleáris asztrofizika, a radioaktív hulladékok égetésének vizsgálata, tumorok sugárkezelése hadronterápiával. A neutronok detektálása fizikai jellemzik és a folyamatokban keletkez események alapján történik. A neutron elektromosan semleges, így töltés alapján nehezebb detektálni, mint egy töltött részecskét. Tömege közel azonos a protonéval. Rendelkezik mágneses momentummal, de erre az eddigi detektorok érzéketlenek. Elektromos dipólmomentumának megállapítására kutatások folynak, ilyen például a cyro EDM (Cryogenic Electric Dipol Moment) kísérlet, ahol ultrahideg neutronokat vizsgálnak. A neutron szabad állapotban elbomlik, felezési ideje perc között mozog. Béta-bomlást szenved, ilyenkor egy proton egy elektron, egy elekron-antineutrínó keletkezik és 0,78 MeV energia szabadul fel. Rugalmas és rugalmatlan szórás a két f fizikai reakció, amiben részt vesz., így detektálása is ezen két reakció vizsgálata a legkézenfekvbb. Rugalmas esetben visszalökdéses mag keletkezik, rugalmatlannál gerjesztett mag maradhat hátra vagy új részecske keletkezhet. Detektáláskor általában neutronnal való ütközési folyamatokban keletkez reakciótermékeket vizsgálják, innen tudjuk a reakció típusát, kiszámíthatjuk a kezdeti energiát, ütközés- és részecskeszámot, stb. Alacsony energiájú neutronok tipikus detektálási alapja az abszorpció jelensége. Jól abszorbeálják és nagy hatáskeresztmetszettel rendelkez anyagok a 3He, 6Li, 7Li, 10B és az 235U. Neutron elnyelése után nagyenergiájú ionizált részecske bocsátódik ki, melynek detektálásból lehet az elnyelt neutron tulajdonságaira következtetni. Aktivációs folyamatokban való részvétele alapján is mérhet a neutron. Atomokban való befogódása után a keletkez mag többlet energiáját béta vagy gamma-sugárzás kibocsátása közben adja le. Ilyen típusú reakcióra nagy hatáskeresztmetszete miatt az indiuim, arany, ródium, vas, alumínium, nióbium és szilícium a legalkalmasabbak. Egyszerre több anyag használatával, kimérhet a neutron energiaspektruma. A fent említett reakciók és detektálási módok alapján sok féle neutron detektor létezik, a legfontosabbak csak említésszeren: gáz-proporcionális detektorok, szcintillációs detektorok, félvezet-, neutronaktivációs és gyorsneutron detektorok. 2

3 A dolgozat a Mitchigan-ben és Tokio-ban használt MONA detektorról szól, ami egy plasztik szcintillációs detektor, így neutronok rugalmas és rugalmatlan ütközéseinek vizsgálatát teszi lehetvé. A dolgozat f témája a MoNA detektor szimulációjának elkészítése és alkalmazása a Geant4 programcsomag használatával. A kapcsolódó háttér információk megelzik a szimuláció ismertetését. Az informatikai áttekintést követi majd a kapott szimulációs eredmények bemutatása. [16], [22] 2. Neutronban gazdag atommagok kutatásának áttekintése Az ismert elemek a 7Li izotópig az srobbanás után 10 percben keletkeztek. A nagyobb tömegszámú elemek a csillagfejldés alatt lezajló magreakcióban keletkeztek K-en a berillium-bór láncban a 8-as tömegszámú bór és berillium izotóp, katalizátoros magreakciókban a szén 12-es és 13-as, a nitrogén 13-as, 14 és 15-ös izotópja. Magasabb hmérsékleten alfa-és béta-befogások és bomlások révén alakultak ki a nehezebb elemek a vas és nikkel izotópokig. Itt már igen magas, 10 9 K-es hmérsékletrl beszélünk. Az ennél is nehezebb elemek szupernova-robbanások eredményeképp jöttek létre. Szupernova-robbanáskor a csillag anyagának %- át is ledobhatja, a neutrondús magok szétesnek, így neutronok válnak szabaddá, melyek befogódnak, majd béta-bomlások és befogódások eredményeképp jönnek létre az újabb nehéz elemek. Ez az asztrofizikai r- folyamat, mely az urán izotópokig hoz létre elemeket. Neutronban gazdag atommagokon olyan atomokat értünk, melyek neutronszáma jóval meghaladja a rendszámot. Ha az izotóp neutronjainak száma a protonokénak egész számú többszöröse, egzotikus atommagról beszélünk. Ezen felül létezik még egy osztály, amit mágikus atomoknak hívunk. Ebben az esetben szerkezeti analógiát láthatunk a zárt elektronhéjak szerkezetére. Itt az atommagban elhelyezked nukleonok pályáinak zártságáról beszélünk. Ha csak a neutron pályák zártak, mágikus az atom. Neutronban gazdag elemeket kísérleti úton hozhatunk létre. Elször ciklotronokban gyorsított nehéz elemeket ütköztettek valamilyen céltárgynak és a keletkezett részecskéket vizsgálták. Mivel az energia relativisztikus mérték, ezt is számításba kell venni a kísérleti beállításoknál. Az ütközés lehet centrális és perifériális. Utóbbi esetben a céltárgy atomja lehasít neutronokat vagy protonokat a gyorsított részecskébl. Ezután egy fragmentum szeparátorral lehet 3

4 szétválasztani a tovább repül izotópot vagy izotont, ami tehát kisebb tömegszámú, mint a gyorsított atom és radioaktív. A fent említett 7Li izotóp 3 protont és 4 neutront tartalmaz, neutronban gazdag verzióját pedig az elbbi típusú kísérlettel állították el, ez volt a 11Li, melyben már 8 neutron van. Ennél magasabb rendszámú lítiumot nem lehet elállítani, így ez az izotóp-térkép neutron-leválási vonalának egyik pontja lítium esetén. Ismertek és el is állított izotópok a 3H, 8He, 11Li, 14Be, 19B. Ezen elemeknek nincs magasabb tömegszámú alakja. Közös tulajdonságuk, hogy neutronszámuk páros, ha eggyel több vagy kevesebb lenne, instabil állapot állna el. Ennek az az oka, hogy mint az elektronok s-pályán való elhelyezkedésénél, itt is pár alakul ki, mely alacsonyabb energiaszintet képvisel, mint két magányos neutron. A párban álló neutronok azonos pályán helyezkednek el, ellentétes spinnel, így nem sértik a Pauli-elvet sem. Nagyobb rendszámú atommagok esetében nehéz megtalálni a neutron-leválási vonalat, a rendszám növekedésével egyre nagyobb számú neutron beépítésére van szükség, így egyre n a távolság a stabil állapotok és a neutron-leválási szélsértékek között. Ebben a tartományban már sokkal nagyobb intenzitású radioaktív nyalábokat kell elállítani a részecskegyorsítókban. Két módszert használnak ma erre a célra, az egyik az ISOL (Isotope Separation On Line) technika. Lényege, hogy két lépésben történik a gyorsítás és a szeparálás. Protonokat vagy nehézionokat gyorsítunk az els körben és valamilyen vastag céltárggyal ütköztetjük, ilyenkor sokféle radioaktív atommag keletkezik attól függen, hogy mi volt a kezdeti részecske, mekkora energiával rendelkezett. A keletkez izotópok diffúzióval jutnak tovább a második gyorsítóba, ehhez viszont ki kell ket szedni a céltárgyból kémiai és gyorsítós eljárások alkalmazásával. A kikerül izotópokat ionforrással ionná alakítják, majd elektromágneses tér segítségével tömeg szerint szeparálják. Az így keletkezett ionnyalábot gyorsítják a második gyorsítóval. Bár a nagy intenzitású protonnyaláb segíti a kijutást az els céltárgyból, nehéz az izotópok kirántása, ezért két ciklotron egymás után csatolását is szokták használni. Ilyenkor az els ciklotronba nagy intenzitású ionok kerületnek, de még vannak rajtuk elektronok, gyorsításuk után viszont ezektl is könny megszabadulni. Végül elektronjaiktól teljesen megfosztott ionokat kapunk. A végs nyaláb energiája a második gyorsítástól függ, 10 kev-os tartománytól párszor 100 MeV-osig terjed. Az alacsonyabb energiájú nyalábokat használják neutronban gazdag atommagot spektroszkópiai vizsgálatára, a magasabbakat magreakciók hatáskeresztmetszetének meghatározására. A másik módszer radioaktív atomnyalábok elállítására a már fent említett fragmentációs eljárás, ahol a periférikus ütközésekben keletkez izotópokat szeparáljuk és vizsgáljuk. Itt MeV/nukleon nagyenergiájú nehézion nyalábbal bombáznak vékony céltárgyat. Az ionok 4

5 szétesése után keletkez részecskék radioaktívak. Szétválasztás után a keresett izotópot a második céltárgyra irányítják, itt lezajlanak a magreakciók. 11Li céltárggyal való ütköztetése után 9Li és 2 darab neutron keletkezik. Mint már fent említettük, a 11Li tömegszámának 1-gyel való csökkentése vagy növelése instabil atommagot eredményez. A 9Li impulzusa a kiszabaduló két neutron impulzusának mínusz egyszerese. A Heisenberg-féle határozatlansági relációból és a 9Li impulzusából a neutronok magbeli elhelyezkedésének bizonytalanságára lehet következtetni, ebbl pedig a 11Li méretére. Az eredmény meglep volt, a 208Pb méretéhez közeli értéket kaptak. Ennek az az oka, hogy az utolsó két neutron a 9Li mag körül elkenve található meg. Pályájuk nagy a többi nukleonpályához képest és valószínség-eloszlásuk kiterjedt. Az ilyen, neutronok által képzett küls pályákat hívjuk neutronglóriának. Olyan magoknál jön létre, melyek tartalmaznak 1-2 olyan neutront, melyek a maghoz gyengén kötöttek. Nehéz magokban találkozhatunk még egy neutronbrnek nevezett jelenséggel is, ami azt jeleni, hogy a nagyszámú neutronpálya kicsit nagyobb átlagos sugárral rendelkezik, mint a protonpályák. Glóriával rendelkez magok a stabilitási völgyön kívül, az izotóptérkép kis rendszámú szélén helyezkednek el, a protonok és neutronok Fermi-szintje a leválás közelében van, ebbl már sejthet, hogy léteznek olyan izotonok is, ahol a többlet-proton ugyanilyen módon protonglóriát alkot, ilyen például a 8B. Az izotóptérkép szélén már olyan kicsi a kötési energia, hogy a mag vonzó potenciálján kívüli térrészben exponenciálisan lecseng hullámfüggvény a neutronokra olyan srségeloszlást ad, ami nagy térrészre terjed ki. 11Li esetében a pálya s és p pályák keverék állapota. A legegyszerbb szerkezet neutronglóriával rendelkez mag a 6He, a legnagyobb glóriát pedig a 11Li viseli. A 6He magjának négyzetes középsugara 1,41 fm, glóriája 3,6 fm sugarú. Ugyanezen távolságok 11Li-ra 2,52 és 4,68 fm. Ezek könny magok, itt a magszerkezet különbsége nagyobb a különböz rendszámokra, mint a nehéz magoknál. Elfordulhat, hogy egy neutron jut a leválási küszöb közelébe, ezt egyneutron-glóriának hívják, de ha nem kötött nívóra kerül, egy plusz neutronnal párt alkothat, ez már kötött rendszer, ami stabilizálja az állapotot, alacsonyabb energiaszintet képvisel, ez a kétneutron-glória. A második szerkezettel rendelkezik a fent említett 6He és 11Li is. Az egy magtörzsbl és két elkülönül neutronból álló háromtest-rendszert borromeói-rendszernek nevezzük (a milánói Borromeo hercegi címer 3 egymásba fonódó karikája után). Érdemes megnézni ezek után, hogy a 8He milyen szerkezettel rendelkezik. A 6He-nak kétneutronos-glóriája volt, a 8-as izotóp 2 neutronnal több. Ha belegondolunk, nem valószín, hogy az addigi két gyengén kötött neutron bekerüljön hirtelen a mag vonzó potenciáljába, hisz a protonszám nem változott. Olyan kísérletet végeztek a szerkezet megismerése céljából, ahol 5

6 a 8He magokat ólom atomok terébe repítették, majd elektromágneses térrel szétszedték darabjaira. A kapott kép szerint egy alfa részecske körül négy neutron hasonló pályán mozog. 1. ábra A He izotópjainak modelljei A 11Be egyneutron-glóriájú, a glória sugara kb.7 fm februárjában nyilvánosságra hozták, hogy megtalálták az eddigi legmagasabb rendszámú neutron-glóriával rendelkez magot, a 22C-t, ez adja a szénhez tartozó neutronleválási pontot is, melyrl elméletileg már megjósolták, hogy léteznie kell. Kétneutronos glóriája van. Magja nagyobb, mint a nála jóval nehezebb rézé és cinké. A kutatások Japánban zajlottak. Hipermagokban és közönséges magokban is találunk glóriához hasonlatos szerkezetet, de itt nem alapállapotban van a mag. Ilyenkor glóriaszer egyrészecske-állapotok jelentkeznek. Ezek törperezonanciák, melyek a magok dipólus óriásrezonanciáiról válnak le. 2. ábra Az izotóptérkép alsó része néhány neutron-glóriával rendelkez mag helyének és szerkezeti modelljének feltntetésével Az egzotikus atommagok egyik speciális esete a mágikus atommagok. Mint mondtuk, ilyenkor zárt héj alakul ki a magban. Mágikus számoknak a betöltött pályán lév nukleonok számát nevezzük. Az els 3 az elektronpályák betöltési számaival megegyezek: 2, 8, 20. A következ számok viszont eltérnek: 28, 50, 82, 126. Az eltérést a spin-pálya csatolással magyarázta meg Goeppert-Mayer és Jensen. Ha a proton- és neutronhéj is zárt, duplán mágikus magot kapunk. Ilyen pl. a 208Pb, ami egy aktinida. Ez egy nehéz mag, 82 a 6

7 rendszáma, további zárt héjak megjelenését is a nehéz és szupernehéz elemeknél várjuk, melyek tömegszáma nagyobb, mint 250. Ezt úgy érhetjük el, hogy egyre több protont és neutront próbálunk belegyömöszölni a magba. Betöltött héjú atomok esetében nagyobb stabilitást, hosszabb felezési idt tapasztalunk. Bár a rendszám növelésével a protonok közti taszítás is egyre n. Vizsgálatukra az ütközéses kísérletek a legalkalmasabbak. Akkor a legvalószínbb fúzió két mag között, ha az ütközés centrális és nem sokkal több mozgási energiájuk, mint a két magbeli protonok közti taszítás energiája. Nagyobb energia és periférikus ütközés esetén fragmentáció lép fel. Ezen tényezk megnehezítik az elállítási folyamatot, így sok ideig tart, mire kell mennyiség eredmény összegylik. Duplán mágikus atomok még pl. a 48Ca, 100Sn. [2], [3], [4], [5], [6], [7] 3. Neutrondetektorok mködése 3.1 Neutrondetektorok fajtái Neutronok detektálásán általában az általuk kiváltott magreakciókban keletkezett töltött részecskék detektálását értjük. Ez érthet, hisz elektromosan semleges, mágneses momentumára a detektorok nem érzékenyek. Semlegességének köszönheten viszont könnyen férkzik más magok közelébe, így könnyen lép reakcióba velük. A leggyakrabban detektált végtermékek közé tartozik a proton, az alfa-részecske, gamma-fotonok. Ezek alapján szinte bármely más részecske észlelésére alkalmas detektort használhatjuk neutronok vizsgálatára, az egyik legfontosabb szempont, hogy a reakció hatáskeresztmetszete a lehet legnagyobb legyen. Ilyen töltött részecskék visszalökéses szóródásakor, magreakciók után és maghasadáskor keletkeznek. Ezen kívül neutronokkal mesterséges radioaktivitást is létrehozhatunk. Energia alapján különböz tulajdonságokkal rendelkeznek a lassú és gyors neutronok. A lassú neutronok energiája 0.5 ev alatt van. Jelentségük a nukleáris reaktorok számára nagy. A velük történ reakció során új ionizáló részecskék jelennek meg, h szabadul fel, melynek értéke jóval nagyobb, mint a lassú neutron kinetikus energiája, melytl így a keletkez reakciótermékek energiája nem függ számotteven. Minél nagyobb a neutron energiája annál jobban csökken a reakciók hatáskeresztmetszete, így más mérési sémát kell alkalmazni gyors neutronok detektálására. A legfontosabb átalakulási folyamat ebben az 7

8 esetben elasztikus szórás következtében jön létre, ahol a beérkez neutron kinetikus energiájának egy részét átadja a megltt atommagoknak, melyek ezután visszalökéses magoknak hívunk. Lassú neutronoknál annyira kicsi a kezdeti kinetikus energia, hogy az általa meglökött mag nem képes detektálható jel adására. A következkben a fenti reakciók alapján csoportosítjuk a neutrondetektorokat Visszalökési detektorok Közepes és nagy energiájú neutronok atommaggal történ rugalmas ütközése szolgáltatja a mérhet jelet. A bejöv neutron kinetikus energiájának egy részét átadja, és az így keletkezett visszalökéses mag már ionizálni képes a detektoranyag többi atomját. A neutron és a meglökött mag ütközésére felírható az energia- és impulzus-megmaradás, melyekbl a visszalökött mag energiájára a következ összefüggés adódik: 4M mn 2 E = E Θ 2 ( + ) cos n, M m n ahol E és M a visszalökött mag energiája és tömege, E n és m n a neutron kinetikus energiája és tömege, Θ pedig a neutron eredeti mozgásiránya és a mag ütközés utáni iránya által bezárt szög. Látható, hogy minél nagyobb a Θ, annál nagyobb a visszalökött rész energiája. Ezen kívül annál jobb eredményt érünk el, minél jobban közelít a szórócentrum tömege a neutronéhoz, erre a hidrogén atom magja a legalkalmasabb, hiszen ebben az esetben minden leadott kinetikus energiát a proton veszi át. Visszalökési detektorként használhatók a gáztöltés ionizációs kamrák és proporcionális csövek, melyeket hidrogénnel töltenek fel. Jól használhatók még a hidrogénben dús anyagú folyadék és plasztik szcintillátorok Magreakción alapuló detektorok Ebben az esetben a detektálandó töltött részecskék magreakciók végtermékei. A berepül neutron energiát közöl a detektoranyaggal, amitl az ionizáló részecske kibocsátásával szabadul meg, mint a gamma-foton és alfa-részecske. A módszer elssorban a lassú és termikus neutronok vizsgálatához jó. Ennek az oka, a már fent említett hatáskeresztmetszetenergia összefüggés. Itt is alkalmazható az ionizációs kamra és a proporcionális cs, melyeket BF 3 -dal töltenek fel. Szcintillátorként LiI-kristály használható, melyben a Li atommagokat a beérkez neutronok 8

9 ionizálják, ez fényfelvillanásokat eredményez. Folyadék szcintillátorban Cd-vegyület használva alfa-részek vagy gamma-fotonok keletkeznek Hasadási detektor Bár magreakció a hasadás is, mégis külön tárgyaljuk bizonyos tulajdonságai miatt. Hasadó anyag a céltárgy, melyet általában vékony rétegben visznek fel valamilyen fémlemezre, mely az elektróda szerepét is játssza egyben. A céltárgyat neuronokkal lövik meg, a hasadó magból felszabaduló energia nagy része a hasadási termék kinetikus energiájává alakul, ez kb.160 MeV, így azok méréskor nagy impulzusként jelennek meg. Ha ionizációs kamrát használunk a méréshez, minden impulzus egy hasadásnak felel meg, így következtethetünk a bejöv neutronok számára. A mért impulzus nagysága nem függ a neutron kinetikus energiájától annak a végtermékek energiájához képesti elhanyagolhatósága miatt, ezért energiamérésre nem alkalmas a módszer. A hasadó anyagok hatáskeresztmetszete általában a termikus neutron energia-tartományban a legnagyobb és a hasadási küszöbenergiák fölött. Így termikus neutronok mérésénél a legegyszerbb az eljárás, gyors neutronoknál ezzel szemben már számolni kell a kis hatáskeresztmetszettel. Ilyenkor még mieltt a neutron elérhetné a hasadó anyagot és a detektort, hidrogénben gazdag paraffin lemezt helyezhetünk el, ami termalizálja a neutronokat, vagy olyan hasadó anyagot választunk, melynek hasadási küszöbe megfelel érték Radioaktív indikátor módszer Neutron befogás útján egyes magok radioaktívvá válnak, ezt a jelenséget használja ki az indikátor módszer. Egy radioaktív indikátort helyeznek a neutronfluxus útjába, ami a besugárzás idejének és a neutron energiájának függvényében nyeri el aktivitását. t 1 id múlva λt1 a minta aktivitása: A( t ) = A (1 e ), ahol a keletkezett izotóp bomlási állandója, A a 1 telítési aktivitás. A besugárzást a felezési id 5-6-szorosáig érdemes folytatni. Az aktivált lemezt ezután detektorba helyezhetjük, de az aktivitás ilyenkor a kivételtl a detektorba való 2 helyezés ideéig e λt szorzóval csökken, ezt is számításba kell venni. A meghatározható az idk és a bomlási állandó ismeretében. Mérés alatt az izotópból kilép béta-, de leggyakrabban gamma-sugárzást detektálhatjuk, ebbl következtetünk a befogott neutronok számára. 9

10 Bizonyos indikátorok csak egy adott energia felett aktiválódnak, ezeket küszöbindikátoroknak hívjuk, ilyen például a 32S, melyre a küszöb nagyobb, mint 0.9 MeV. [23] 3.2 Szcintillációs neutrondetektorok mködése Szcintillációnak hívjuk azt a jelenséget, amikor atomi gerjesztés következtében fényfelvillanás történik az anyagban. A szcintillációs detektor elemei a szcintillátor anyag, ami lehet szerves és szervetlen és a fotoelektron-sokszorozó (FES), más néven photomultiplayer (PMT). A szervetlen szcintillátorok kristályos szerkezetek, tehát szilárdak, ilyen pl.a NaI-kristály talliummal aktiválva és más alkáli-halogenid kristályok (pl. ZnS). A szerves szcintillátorokat szerves egykristályokra, oldatokra és plasztikokra csoportosíthatjuk. Folyadék-szcintillátorok esetében a vizsgált anyag a folyékony detektoranyagba keverhet. Így pl. a trícium bomlásakor keletkez béta-részecskék, melyek levegben 2 cm-t sem tudnak megtenni, szilárd anyagon pedig nem is jutnak keresztül, közvetlenül a detektor anyagát gerjesztik, az ekkor keltd fotonokat mérjük. A PMT fbb részei a fotokatód, az elektronoptikai fókuszáló rendszer, az elektronok sokszorozását végz dinódasor és az anód, ahol a fotonokból átalakított elektronok áramával arányos jel jelenik meg. Neutronok detektálására olyan detektor jó, ami a neutronok által kiváltott ionizáló részeket jó hatásfokkal érzékeli. A lassú és gyors neutronok mérése különböz technikai hátteret igényel itt is. Lassú neutronok mérésénél legtöbbször a 10B és a 6Li-tal való ütköztetés használatos. Detektorként bór és lítium tartalmú anyagot használnak. Gyors neutronoknál a mérés visszalökési protonok detektálásán alapul, itt szerves kristályok, folyadék- és plasztikszcintillátorok használatosak. Dolgozatomban a MoNA detektort és annak szimulációját fogom bemutatni, így most részletesebben a gyors neutron-, azon belül is a proton visszalökéses detektorokat ismeretem bvebben. A gyors neutron-detektálás az rugalmas szóráson alapul, ilyenkor könny atommagokat használunk szóró-centrumként, általában hidrogént, héliumot és deutériumot, de ezek közül is a hidrogén a legelterjedtebb. A bejöv neutron kinetikus energiáját leadja a detektor anyagában, de ez több ütközés alatt is lejátszódhat. Egy proton átlagosan a neutron 10

11 energiájának felével rendelkezik ütközés után, mivel az ütközéstl függen a teljes neutron energiától a nulláig bármilyen értéket felvehet. Reakcióh nincs, a kinetikus energiák összege ütközés eltt és után egyenl. A visszalökési mag energiája, proton esetében a fent említett képlet alapján, ha M n =1 (A.M.U.): 4M cos 2 E = En θ. 2 ( M + 1) Proton-visszalökési szcintillátor Legkönnyebben nagy hidrogén tartalmú detektoranyaggal vizsgálhatjuk a visszalökési protonokat. Régebben szerves kristályokat alkalmaztak, mint az antracén és a sztilbén. Az antracén adja a legnagyobb fényhozamot a szerves szcintillátorok közül, de mégis a sztilbén vette át a helyét idvel, mert az kevésbé érzékeny a gamma-sugárzásra. Ma már nem használják ket, mert bonyolult velük dolgozni és túl drágák nagyobb méret detektorok építéséhez. Ezen felül még a h- és mechanikai behatások is elronthatják. Helyettük folyadék és plasztikból készült szcintillátorok használatosak. Folyadék-szcintillátor esetében a szerves szcintillátor anyag hidrogén tartalmú oldatba kevert. Plasztik alkalmazásakor polimerizált hidrokarbon mátrixba vegyítik bele a szerves szcintillátort. Ezek nem olyan drágák és szinte bármilyen méretben és formában elállíthatók. Nagy elnyük még a kristályokkal szemben, hogy a keletkez felvillanás detektálhatóságát nem befolyásolja a töltött részecske pályájának irányítottsága. A gyors neutronok által meglökött protonok energia-eloszlása, amiatt hogy nullától a neutron teljes kinetikus energiájáig bármilyen értéket felvehet a proton energiája, négyszöges eloszlást mutat. Az impulzus nagyságának eloszlása is négyszöges, ugyanis a proton teljes energiáját a detektorban adja le megfelelen nagy méret esetén. Detektáláskor viszont fellépnek olyan effektusok, melyek eltolják ezeket az eloszlás-függvényeket. Szcintillációs detektoroknál nem közvetlenül a visszalökési protonok energiáját, hanem az általuk keltett fényhozamot és abból kialakított anódáramot vizsgálhatjuk. A legtöbb szerves szcintillátor fényhozama nem követi lineárisan az energianövekedést, hanem annak 3/2-dik hatványával arányos, 3 / 2 H = ke, ahol H a fényhozam és k konstans. Ebbl az impulzus nagyságának eloszlására dn dh dn = = = k' H dh / de 3 1/ 2 ke 2 / de const 1/ 3 11

12 adódik, ahol k ' konstans. Eltérést okozhat, ha a detektor túl kicsi vagy túl nagy a neutronenergia, ugyanis ilyenkor protonok léphetnek ki a detektor felületén, így a mért fényhozam kisebb lesz, mint ha mind bent maradna. Nagy detektoroknál a neutronok többszörös szórást szenvedhetnek hidrogénen, mieltt kilépnek a térfogatból. Az ezen ütközések által keltett felvillanások megnövelhetik az átlagos impulzusnagyság eloszlását. Mivel a detektor anyaga mindig tartalmaz szénatomokat is, a bejöv neutron rugalmasan ütközhet velük. A visszalökött szénatomok energiája nem járul hozzá a kimeneti jelhez jelentsen, ellenben az így lelassult neutron által a továbbiakban meglökött protonoké igen. Egy neutron szénnel való rugalmas ütközése soron átlagosan energiája 28 %-át adhatja le, így a protonok energiája a kezdeti neutronenergia 72 és 100%-a közé esik. Ha a neutron energiája elér egy küszöbértéket, a szénnel való ütközés már nem rugalmas MeV felett a 12C(n,alfa)Be, míg 7.98 MeV felett már a 12C(n,n )3alfa folyamat is megjelenik, és 9 MeV felett számottev e két reakció járuléka. Proton visszalökéses szcintillációs detektorok nem csak a neutronokra érzékenyek. Általában, a kísérletek alatt jelenlév gamma- és kozmikus sugárzás befolyásolja a mérés kimenetelét. A háttérsugárzás kiszrésére kevés módszer van, legáltalánosabb elterjedt ezek közül szcintillációs detektorok esetében a PMT-k jelének analízise. A megkülönböztetés azon alapul, hogy a jelalak változik az ionizáló részecske ionizáló hatása függvényében. A részecskék által keltett fényjel két komponensbl áll, egy gyors (promt) és késletetett (delay) fluorszcenciából származó fotonok jelébl. 3. ábra Neutronok és gamma-fotonok megkülönböztetése a head jel alapján A két komponens fényjel aránya aszerint változik, hogy milyen ionizáló hatással rendelkezik a vizsgált részecske. Neutronok és gamma-fotonok esetében, a neutronok vagy protonokkal 12

13 ütköznek vagy alfabomlásban vesznek részt szénbl és hidrogénbl álló detektorokban, míg a gamma-fotonok az atomok elektronjait Compton-szórással gerjesztik. A triplett és szinglett gerjesztések aránya protonokra és elektronokra különbözik (fluoreszcencia alkalmával gerjesztett szinglett állapotból, alap szinglett állapotba, míg foszforeszcenciakor gerjesztett triplett állapotból tiltott átmeneteken keresztül, alap szinglett állapotba kerül a rendszer). A neutron jelében a triplett gerjesztésekbl származó rész a nagyobb, így a lassú komponens aránya nagyobb, mint a gyorsé. Gamma-fotonokból adódó jeleknél ez az arány a szinglett javára tolódik el. A gyors jel néhány ns-os, míg a lassú néhány 100 ns-os idállandóval rendelkezik. Tehát az enyhén ionizáló részecskék, mint a müon vagy elektron kevesebb késleltetett jelkomponenssel rendelkezik, így gyorsabb lefutású jelet adnak, míg az ersebben ionizáló protonok neutronnal való ütközés után lassabb lefutású jelet produkálnak a nagyobb késleltetett fényjel arány miatt. Két komponenst két ADC-vel különböztethetjük meg, az egyikkel összeintegráljuk a szcintillátor által leadott összes jelet, a második ADC-re késleltetve adjuk a jelet, amivel egy adott idtartományra integrálunk csak, ez lehet a felfutás (head) és a lefutási (tail) szakasz is. A teljes jel arányos a head és tail szakasz jelével, ez az arányossági tényez jellemz az adott ionizáló részecskére. Így a jelarányok már meg tudjuk különböztetni a neutronokból és a gammákból származó jeleket. A head jelét ábrázolva a teljes jel függvényében a 3. ábrán látható digramot kaphatunk, ahol a több lassú komponenssel rendelkez neutron az alsó csíkot rajzolja ki, hisz a head a gyors felfutási szakasz, mely gamma-sugárzásnál jobban dominál. [8], [9], [10], [24] 3.3 A michigani Neutron Fal és a MoNA detektorok felépítése A Michigan-i NSCL ( National Superconducting Cyclotron Laboratory ) ad otthont a Neutron Wall ( Neutron Fal ) és MONA ( Modular Neutron Array ) detektoroknak. Két ciklotron gyorsítja a neutronokat, a K500 és a K1200 melyekben elsként használtak szupravezet mágnest és nagyenergiás nyalábgyorsítót a világon. A két ciklotron össze van kötve, a K500 20MeV/nukleon energiára gyorsít, majd a K1200-ban akár 100MeV/nukleon energiát is elérhetjük. Az így kialakult elsdleges nyaláb éri el a targetet, ahol radioaktív atomok tömkelege keletkezik, melyek közt sok neutron gazdag magot találunk. A vizsgálni kívánt atomokat az A1900 fragmentum szeparátorral válogatják ki, ami az így kinyert nyalábot továbbküldi a kísérleti területre. (Függelék 1. ábra) 13

14 3.3.1 A michigani Neutron Fal detektor Nevét szerkezetérl kapta. Egy fal 25 alumínium keretre ersített üvegcsbl áll, melyek egyenként 7,62 cm keresztmetszetek 200,66 cm hosszúak. A tubusokat folyadék-szcintillátor anyaggal, NE213-vel töltötték fel, így a beérkez neutronokkal való reakciót fényfelvillanás jelzi. A szcintillációban keletkez fotonokat a tubusok végére ersített photomultiplayer elektromos áramimpulzussá alakítja. A jel tulajdonságaiból következtetünk arra, hogy neutron vagy gamma-foton keltette-e. A neutronok energiájára a repülési idbl, az ütközés helyére a tubus két vége közti detektálás idkülönbségébl, tehát ugyanazon neutron kölcsönhatások által keltett fotonok idkülönbségébl következtetünk. A vizsgált neutronok magreakciókban keletkeznek és fénysebesség körülbelül negyedével közlekednek. A Neutron Falat egzotikus atommagok, izotópok, asztrofizikai körülmények között keletkez magok megismerésére használják. Egzotikus atomok vizsgálatánál feltörik a magot és a kilép neutronok detektálásával kapunk információt az eredeti atommag struktúrájáról. Ilyenkor a neutronbefogás folyamata is lejátszódik, neutronban gazdag maggal gamma-fotont nyeletünk el, ezt követen egy neutron kilép a magból, ezt pedig a Neutron Fal detektálja. A többi magot egy mágnes eltereli egy másik detektorhoz, így modellezhetjük, hogy mi történhet kozmikus körülmények között magas hmérsékleten A MONA detektor Szintén egy szcintillációs detektor, de nem folyadék, hanem plasztik-szcintillátor. A MONA 144 szcintillátor rúdból áll, melyek 16 sorban és 9 oszlopban helyezkednek el. Egyenként 200x10x10 cm 3 térfogatú csövek, így az egész detektor szenzitív régiója 200x160x90 cm 3. Egy fal így 2 m széles, 1,6 m magas és 10 cm mély. Egymás után való elhelyezésük miatt hosszabb úton lehet végigkövetni a neutronokat és az általuk keltett reakciókat. A detektoranyag egy BC-408 nev polyvinyltoluene. A plasztik mellett vékony réteg acélt is elhelyeztek, mely nagyobb srsége miatt reakcióban vesz részt neutronokkal, az ebbl származó töltött részeket, leginkább protonokat a következ szcintillátorréteg detektálja. A tubusok végein itt is photomultiplayerek vannak, a keletkez fotonok befogására és elektronáram kialakításához. Akár már néhány 100 foton érzékelésével is jó eredményhez vezet A MONA-hoz a Photonis XP2262B 2 inch PMT-t használták fel, ebben 12 dinóda található. Ersítése 3x10 7, jelátfutása körülbelül 2 ns. 14

15 4.ábra A MONA detektor. Zöldek a plasztik szcintillátorok, végeiken a PMT-k, alul pedig a tartólemez. Mivel a BC arányban tartalmaz hidrogén atomokat szén atomok mellett, az ezekkel történ ütközést vizsgálhatjuk. A hidrogén csak egy protonból és egy elektronból áll, a neutron semleges, így tekinthetjük úgy, mint ha egy neutron-proton interakciót vizsgálnánk. Szénnel való ütközéskor rugalmas meglökés, gerjesztés vagy rugalmatlan ütközés történik. Mint a Neutron Falnál is, itt is meghatározhatjuk az ütközés helyét a keltett fotonoknak az azonos rudak két végén elhelyezked PMT-kben történ jeladásainak idkülönbségébl. A MONA-val történ kísérletekhez használt neutronok energiája MeV-os energiaskálán mozog. A kísérletek célja a ritka izotópok jobb megismerése, a neutron-leválási vonal feltérképezése. A gyorsítók által elállított egzotikus magok a detektor eltt elhelyezett targettel ütköznek, az így keletkezett neutronok a fénysebesség 30-60%-val repülnek, melyeket a detektor körülbelül 70%-os hatásfokkal detektál. A bejöv neutron a szcintillátor anyag egy atomjának magjába ütközik, töltött részecskék lépnek ki, jelen esetben gyorsan mozgó proton, alfa és 12C részecskék, attól függen, hogy hidrogén vagy szén atomot talált el a neutron. Ezek az ütközés helyétl kirepülnek, így gerjesztik a környez atomokat, amik fénykibocsátással kerülnek végül alapállapotba. A két végen lév PMT-k ugyanazon részecskébl keletkez fotonokat nem azonos idben detektálják, viszont ez az idkülönbség igen kicsi, 10 ns-on belül van. A pontos idmérés lehetvé teszi, hogy megmondjuk a neutronok sebességét. Egy start detektort a reakció target elé helyeznek, a MONA pedig a stopper szerepét játssza. A neutronok körükbelül 100 ns alatt tesznek meg 10 métert. A detektor teszteléséhez és kalibrációjához a háttérsugárzásból származó müonok jele használható. A gyorsított ritka izotóp a céltárgy közelében fragmentumokra esik, a gyengén kötött neutronok tovább repülnek a MoNA irányába, az ersen kötött töltött részecskéket egy eltérít mágnes tereli el, így azok nem zavarják a neutronok detektálását. A bejöv neutronoknak meg tudjuk mondani a tulajdonságait, ezekbl pedig az anyamag milyenségére következtethetünk. 15

16 A rezonancia állapotok energiáinak jó rekonstrukciójához egy tipikus kísérletben mérni kell a neutron energiáját, szögét és az anyamagból leszakadó fragmentumokat. A neutron-gazdag atommagok vizsgálatának ez az egyik legjobb módszere, így szerezhetünk ismereteket nehéz elemekrl, ahol a neutronok egyre gyengébben kötöttek, pl. neutron-glóriát alkotnak. Neutronban gazdag elemek természetes körülmények között nem találhatóak meg Földünkön rövid, ezred másodpercnyi élettartamuk miatt. Ezekbl a tapasztalatokból ismerjük meg és rekonstruáljuk, hogy egyes asztrofizikai folyamatok közben, mi zajlik le. Szupernóva robbanások alkalmával nehéz elemek keletkeznek, a neutroncsillagok kérgében pedig nagyon sok ritka izotóp van. Ezen instabil állapotok vizsgálatával kaphatunk teljesebb képet olyan rendszerekrl, melyek általunk természetes körülmények között nem vizsgálhatók, ellenben az Univerzum fizikájának meghatározó elemei. [1], [11], [12] 4. A MoNA szimulációja a Geant4 programcsomaggal és a program használata 4.1 A szimuláció célja Általánosságban a szimuláció arra való, hogy valamilyen létez vagy elképzelt dolgot modellezhessünk idealizált körülmények között. Jelen dolgozatban a MoNA detektor szimulációja volt a cél, mely egy plasztik szcintillációs neutron detektor. A valóságban a kapott jelek a szcintillátor rudak végén elhelyezett photomultiplayer-ek által regisztrált fotonokból származnak, melyek a detektorban lezajló fizikai folyamatok eredményeképp keletkeztek. Szimulációmban nem a PMT-k jelei alapján, hanem a detektorban bekövetkez események regisztrálásával következtethetünk a folyamatokra, keletkez részecskékre, és az adott események helyére. Geant3-ban már készült szimuláció a MoNA detektorhoz, 4-es verzióbeli megvalósítása az elmúlt egy évben indult meg a MoNA kollaborációban, itt a 3-as verzióbeli szimuláció geometriáját kezdték átültetni a jelenlegi Geant verzióba. (Fritsch, A.; Heim, M.; Baumann, T.; Mosby, S.; Spyrou, A.: Geant4 Simulation of MoNA). 16

17 Szimulációm készítésekor nem használtam az elz verzióbeli felépítést, hanem önálló modellt készítettem a detektorhoz, így még további munkálatok szükségesek tökéletesítéséhez, a photomultiplayer rendszer felépítéséhez. Mivel sok hasonló fizikai modellel rendelkezik a program, többet is megvizsgáltam, elvégeztem ezek összehasonlítását. A dolgozatban két modellt használtam fel eredmények kimutatására és a kett közötti különbségekre próbáltam rámutatni. Feladatom az volt, hogy a szimulációban lezajló fizikai folyamatok minél jobban közelítsék meg a valódi detektorban lejátszódóakat. A mérésekrl írásos és vizuális kimeneti fájl készüljön, melyek feldolgozhatók és megjeleníthetk. Ezen kívül a Geant4 program használatát és a szimuláció felépítését kellett ismertetnem. Az egyszerbben értelmezhet, rövid programrészeket, melyek a szimuláció felépítéséhez és megértéséhez szükségesek, részletesebben tárgyalom a kapcsolódó pontokban, melyek magukba foglalják a detektor geometriai felépítését, a fizikai folyamatok irányítását, a program mködése szempontjából esszenciális elemek beépítését és a kimeneti fájlok létrehozását. 4.2 A Geant4 és a vizualizáció felépítése, mködési elve A Geant egy olyan detektor-szimulációs programcsomag, melyet több évtizede fejlesztenek, így több verziója is kikerült már, jelenleg a Geant4 verzió a legújabb. Maga a program C++ nyelven íródott, de helyenként még megtalálható benne egy-két FORTRAN kód is. Felhasználói felülettel nem, csak programozói környezettel rendelkezik. Általában LINUX alatt telepítik, bár létezik Windows-kompatibilis csomagja is. Munkám során olyan egyetemi szerveren dolgoztam, melyen Linux futott. A Geant4 objektum orientált programozással készült, így minden információ külön header és a hozzájuk tartozó source fájlba rendezett. Vannak a program számára esszenciális fájlok, melyeket nem hagyhatunk el egy szimuláció során sem, ezeket az els példa-szimulációban meg is tekinthetjük, ennek elérési útvonala: Geant/geant4.9.2/examples/novice/N01. A futtató examplen01.cc fájlban láthatjuk rendre a legfontosabb header fájlokat: G4RunManager.hh, G4UImanager.hh, G4VUserDetectorConstruction.hh, G4VUserPhysicsList.hh, G4VUserPrimaryGeneratorAction.hh- bár a példában az utolsó három fájl G4VUser eltagja ExN01-ra cserélt, ami azt jelenti, hogy az els példához tartozó névterek, változótípusok, stb. származtatottak. Nézzük meg sorban, hogy ezek mire valók! 17

18 G4RunManager Ez az egyetlen osztály a Geant4-ben, amit kötelez felépíteni a felhasználói mainfüggvényben. Vezérli a programunk futását és kezeli az eseményeket. Ha a G4RunManager létezik az összes nagyobb vezérl osztály is létrejön. Kezeli az inicializációkat, így neki kell beadni minden szükséges információt a szimulációhoz. Ide tartozik a detektor felépítése, a részecskék és a fizikai folyamatok szimulálása, az els részecske elállítása, és a további szimulációs igények. A G4RunManager-hez mindig rendelünk egy mutatót, pl. runmanager, ezzel fogunk a mainfüggvényen belül a felhasználói inicializáló, mveleti, stb. osztályokra mutatni. Például: runmanager->setuserinitialization(new MONADetectorConstruction); runmanager->setuseraction(new MONAPrimaryGeneratorAction); G4UIManager Az UI a user interface kifejezésre utal. Parancsokat adhatunk ki vele a programnak, ezáltal szabályozhatjuk a futást. A parancsadáshoz sokféle osztályt hívhatunk segítségül, és több helyen is hívhatjuk ket attól függen, hogy mire van szükségünk. G4VUserDetectorConsrtuction Vele definiálhatjuk a detektorunkat. G4VUserPhysicsList A fizikai folyamatok létrehozása a feladata. G4VUserPrimaryGeneratorAction Az elsdleges, indító folyamatokat állíthatjuk be vele, mint a kezdeti beltt részecske fajtáját, orientációját, sebességét. Az eddig felsorolt objektumok persze mind más osztályokat hoznak létre, amelyekhez tartozó fájlokat k maguk is behívják. A létrehozott osztályokhoz általában mutatókat, változókat, függvényeket rendelhetünk, amikkel azután dolgozhatunk a.cc kiterjesztés fájljainkban. Tehát egy szimulációhoz meg kell adnunk a header (.hh kiterjesztéssel) fájlokat egy /include könyvtárban, a source (.cc kiterjesztéssel) fájlokat egy /src könyvtárban és a futtató fájlt az elz kettvel egy szinten, melybe azokat a fájlokat hívjuk be, amelyeket végül futtatni szeretnénk. A felsorolt alap osztályokon kívül még sok egyebet is betehetünk, melyekkel a futásunk kezdetét, végét, magát a futást irányíthatjuk, vizsgálhatjuk. 18

19 A vizualizációt szintén betehetjük a futtató fájlba. Csinálhatunk futáskor automatikusan létrejöv vizualizációt, de parancssorral is dolgozhatunk futtatás után. Több vizualizációs drivert is hozzárendelhetünk a Geant4-hez, mivel sokféle fájl létrehozására képes. Az alkalmazható driverek: OpenGL OpenInventor HepRep/WIRED DAWN VRML RayTracer ASCIITree [17] 4.3 A detektor felépítése Geant4-gyel A detektor felépítéséhez tudnunk kell a paramétereket, használt anyagokat, környezeti tényezket. Elre ki kell számolni, mit hova kívánunk tenni, hol mennyi helyet szeretnénk hagyni. A MONA 9x16 darab alegységbl áll, 8 méteres távolságból ljük rá a neutronokat. Az alegységek négyzet alapú hasábok, a négyzetek oldalai 10 cm-esek, a hasáb hossza 2 m, az egységek között 2 mm-t hagyunk ki. Ha ezen információkat tudjuk, el tudjuk kezdeni detektorunk felépítését. Tudnunk kell milyen osztályokra van szükségünk, az ezeket tartalmazó fájlokat jelen esetben a MONADetectorConstruction.cc source-fájlba hívjuk be. A legfontosabbak sorra: #include "MONADetectorConstruction.hh": itt adtuk meg, milyen változókkal fogunk dolgozni az építés során, milyen függvényeket fogunk használni. #include "G4Material.hh": ha betesszük, anyagokat tudunk definiálni. #include "G4Box.hh": itt megadjuk, milyen téridomot használunk. A Box téridom dobozt definiál. Ez egy CSG (Constructive Solid Geometry ) téridom, amellyel egyszerbb alakzatok állíthatóak össze. A teljesség igénye nélkül, behívható fájlok még pl. G4Orb.hh/gömb, G4Cons.hh/kúp, G4Torus.hh/tórusz, egy-két érdekesebb, mint a G4Polyhedra.hh, G4Polycone.hh, stb. Létezik egy másik csoportja is az idomoknak, BREPs-nek (Boundary Represented Solids) hívják, ezzel már bonyolultabb topológiát állíthatunk el. 19

20 #include "G4LogicalVolume.hh": a logikai térfogat létrehozásához használjuk, ami leírja a kiválasztott téridom geometriai tulajdonságait, anyagot rendel a detektorelemhez, behívja a mágneses mezt, stb. #include "G4ThreeVector.hh": 3 dimenziós vektort definiál. #include "G4PVPlacement.hh": a logikai térfogat fizika térfogatban való elhelyezésére szolgál. #include "G4PhysicalVolumeStore.hh": fizikai térfogatot definiál, ez helyezi el térben a logikai térfogatot egy bennfoglaló térfogatban vagy a világtérfogatban. #include "G4SDManager.hh": szenzitív detektor-felületet rendelhetünk hozzá. #include "G4VisAttributes.hh": vizuális beállításokhoz használjuk. #include "G4Colour.hh": megadhatunk színeket, melyeket használni szeretnénk. A detektor szimulációjához használt anyagokat a G4Material osztály segítségével tudjuk létrehozni. Ez kezeli a beépített kémiai elemeket, molekulákat és a már létrehozott, összetett anyagokat is. Ha egyszeren csak egy adott elembl álló anyagunk van, elég egy mutatót rendelni hozzá, nevet adni az anyagnak, megadni a rendszámát, moláris tömegét és srségét, de ezeken felül akár még a hmérsékletet és nyomást is a következ módon: G4Material* Ar = new G4Material("ArgonGas", z= 18., a= 39.95*g/mole, density= 1.782*mg/cm 3 ); Ha a használni kívánt anyagok összetettek, kétféle módon definiálhatunk. 1. Ha egyszerbb anyagot, mint pl. jelen esetben levegt akarunk elállítani, elször az alábbi módon az t felépít elemek tulajdonságait adjuk meg, egy mutató hozzárendelésével. G4Element* N = new G4Element("Nitrogen",symbol="N", z= 7., a=14.01*g/mole); G4Element* O = new G4Element("Oxygen",symbol="O", z= 8., a=16.00*g/mole); A zárójelben lév tulajdonságok sorra: az elem neve, szimbóluma, rendszáma és moláris tömege. Ha minden elemet leírtunk, összerakhatjuk belle az anyagot. Elször hozzárendelünk egy mutatót, és mint a fentiekben leírjuk a legfontosabb tulajdonságokat, a nevét, a srségét és, hogy hányféle komponensbl áll, majd hozzárendeljük a fenti elemeket, és megadjuk, milyen részarányban vannak egymáshoz képest (jelenleg 0.7 és 0.3), de használhatunk százalékos értéket is(air->addelement(n, 70*perCent);). G4Material* Air= 20

21 new G4Material("Air", density= 1.290*mg/cm 3, ncomponents=2); Air->AddElement(N, fractionmass=0.7); Air->AddElement(O, fractionmass=0.3); Ha pontosan meghatározott molekula-összetétellel dolgozunk, nem elég csak az elemek arányát felírni, meg kell adni a molekulát felépít atomok pontos számát: G4Material* H2O = new G4Material("Water", density= 1.000*g/cm 3, ncomponents=2); H2O->AddElement(H, natoms=2); H2O->AddElement(O, natoms=1); Az eddigi anyagok szerepelnek a Geant4 adatbázisában, ha futáskor felismeri az anyagnevet a fordító, ki tudja írni a tulajdonságokat. 2. A Geant adatbázisa bonyolultabb anyagokat is tartalmaz, leírási függelékében (NIST és HEP Materials) megtekinthetjük ezeket. Behívásuk a következ módon történik: G4Material* Sci= man->findorbuildmaterial("g4_plastic_sc_vinyltoluene");. A MoNA szimulációjához polivinil-toluénre volt szükség a detektor leírása alapján, mert ez a plasztik szcintillátor anyaga. A függelék NIST Materials sorából ki lehet választani a G4_PLASTIC_SC_VINYLTOLUENE t és a FindOrBuildMaterial függvénybe írni, így futáskor felismeri a Geant és tudja kezelni. A detektor geometriai leírásához a fent behívott további fájlokat használjuk. A detektort a következképpen lehet leírni. Megadjuk a bennfoglaló térfogat, pl. labor adatait, az oldalak félhosszúság értékeit: G4double doboz_x = 5.0*m; G4double doboz_y = 1.5*m; G4double doboz_z = 1.5*m; Ezután létrehozzuk a téridomot, itt egy dobozt, megadjuk a nevét és beírjuk a fenti adatait. doboz_box = new G4Box("doboz_box",doboz_x, doboz_y,doboz_z); Létrehozzuk a logikai térfogatot, megadjuk, hogy mihez rendeljük (doboz_box), az anyagát, a nevét és még néhány tulajdonságot, ha szükséges, de erre most nem térek ki. doboz_log = new G4LogicalVolume(doboz_box, dobozmaterial,"doboz_log",0,0,0); 21

22 Megadom a pozíciókat, de mivel ez a legküls térfogat, érdemes az origóba helyezni a középpontját, így minden koordinátát 0-nak választani. G4double dobozpos_x = 0.0*m; G4double dobozpos_y = 0.0*m; G4double dobozpos_z = 0.0*m; A fizikai térfogat definiálásakor megadhatjuk az elforgatás mértékét, jelen esetben 0, egy 3 dimenziós vektort leíró tömbben a pozíciót, majd a bele helyezett logikai térfogatot, a nevet, a világtérfogatot (itt ezt most nem definiáltuk), ami ennek a térfogatnak az anyatérfogata, egy boolean operációt és a másolatok számát. doboz_phys = new G4PVPlacement(0, G4ThreeVector(dobozPos_x,dobozPos_y,dobozPos_z), doboz_log,"doboz",vilagterfogat_log,false,0); Így kaptunk egy olyan labor-térfogatot, melynek középpontja 0-ban helyezkedik el, doboz a neve és egy darab van belle. Ezek alapján már könnyen értelmezhet a MoNA érzékeny detektor térfogatának leírása. Dobozt definiálunk, melyet belehelyezünk egy logikai térfogatba: alegyseg_box = new G4Box("alegyseg_box", alegyseg_xy/2,alegyseg_xy/2,alegyseg_z); alegyseg_log = new G4LogicalVolume(alegyseg_box, Sci,"alegyseg_log",0,0,0); A doboz, amit leírtunk 2 méter hosszú 10 cm oldalhosszúságú négyzet alapú hasáb, anyaga a fent definiált G4_PLASTIC_SC_VINYLTOLUENE (Sci). Ezt másoljuk fel x (NbOfLayersX) és y (NbOfLayersY) irányba 9-szer és 16-szor két egymásba ágyazott for-ciklus alkalmazásával. Ezzel adjuk meg végül a fizikai térfogatot. for(g4int i=0;i<nboflayersx;i++) // loop for layers { for(g4int j=0;j<nboflayersy;j++) { G4double alegysegpos_x = ((i-9)* )*cm; G4double alegysegpos_y = (j-8)*10.2*cm; G4double alegysegpos_z = 0.0*m; alegyseg_phys = new G4PVPlacement(0, G4ThreeVector(alegysegPos_x,alegysegPos_y,alegysegPos_z), 22

23 alegyseg_log,"alegyseg",doboz_log,false,i); G4VisAttributes* LXe_vat = new G4VisAttributes(lblue); LXe_vat->SetVisibility(true); alegyseg_log->setvisattributes(lxe_vat); } } Az utolsó három sorban rendre megadtuk az alegységek színét (lblue), láthatóvá tettük ket ( egy boolean változó igaz értékével), így megjelenhet vizualizációkor és az alegységek logikai térfogatához hozzárendeltünk egy mutatót, ami a vizuális beállításokért felel. [17] 4.4 Fizikai folyamatok leírása A Geant4-ben több fájl áll rendelkezésünkre, ahol beállíthatjuk, milyen folyamatot szeretnénk vizsgálni, mi legyen a kezdeti feltételünk, mivel akarjuk meglni detektorunkat és megadhatjuk, hogy a generált események mely adatait szeretnénk megjeleníteni a képernyn vagy kimeneti fájlokban. Szimulációmban 3 olyan fájl található, melyekben ezeket a beállításokat meg lehet tenni, ebben a pontban ezeket mutatom be PrimaryGeneratorAction A kezdeti feltételek beállításához és programunk futásához nélkülözhetetlen fájl a PrimaryGeneratorAction, így minden Geant4 szimulációban benne van. A G4VUserPrimaryGeneratorAction névterét használja. Hogy meg lehessen adni, milyen részecskét akarunk vizsgálni, annak milyen beállításai legyenek a következk fájlokat használhatjuk: G4Event.hh, mellyel az eseményekhez mutatót rendelhetünk, amivel programunk többi része dolgozhat, G4ParticleGun.hh, mely a részecskénk kezdeti beállításaiért felel, mint az energiája, elhelyezése, száma, stb., G4ParticleTable.hh és G4ParticleDefinition,melyek az általunk megadott kezdeti részecske tulajdonságait hívják be és globals.hh, mely a használt mértékegységeket kezeli. Persze a szimulációtól függ, hogy ezeken kívül még milyen fájlokat kell meghívnunk, de ez programunk minden részére vonatkozik. A következ forráskód alapján értelmezhet, hogy állítottam be a rálövés kezdeti értékeit: 23

24 G4int n_particle = 1; particlegun = new G4ParticleGun(n_particle); G4ParticleTable* particletable = G4ParticleTable::GetParticleTable(); G4String ParticleName; particlegun->setparticledefinition(particletable->findparticle(particlename="neutron")); G4double energy_pri; particlegun->setparticleenergy(energy_pri=50*mev); particlegun->setparticleposition(g4threevector(-2.0*m, 0.0, 0.0)); energy_pri=particlegun->getparticleenergy(); G4cout << "Mivel lottem?" << particlename << G4endl; G4cout << "Mekkora energiaval?" << energy_pri << G4endl; delete particlegun; void PrimaryGeneratorAction::GeneratePrimaries(G4Event* anevent) { G4int i = anevent->geteventid(); G4ThreeVector v(1.0,0.0,0.0); particlegun->setparticlemomentumdirection(v); particlegun->generateprimaryvertex(anevent); } Miután megadtam, hány kezdeti részecskével fogok lni, átadtam az értéket a ParticleGunnak. A G4ParticleTable-höz mutatót rendeltem, mely a string típusú ParticleName-re mutat, itt értékként szöveget adhatunk be idézjelek között, tehát megnevezhetjük azt a részecskét, amivel megljük a detektort. Fontos, hogy olyan formában írjuk be a nevet, amit a Geant ismer. A használható részecskéket a particles könyvtárban találjuk meg a hozzá rendelt string típusú azonosítóval. Ezután a részecske kezdeti energiáját állítottam be, majd a rálövés pozícióját a G4ThreeVector-ban, mely egy 3 elem tömb, tagjai rendre az x, y és z koordináták. Futás alatt ki tudom íratni azokat az adatokat, melyekhez fent mutatót rendeltem a G4cout paranccsal. A generált események ezután egy mutató kapnak (anevent), ez egy azonosító a program számára. Végül beállítottam a rálövés irányát. A fizikai beállításokhoz végig a particlegun mutatóját kell rendelni. Ha változtatni szeretnénk a kezdeti beállításokon, elég csak itt átírni vagy kicserélni azokat, majd újrafordítani a programot. 24