Magsugárzások detektálása és detektorai

Átírás

1 Tematika 1. Az atmmagfizika elemei 2. A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése 3. Magsugárzásk detektálása és detektrai 4. Az atmreaktr 5. Reaktrtípusk a felhasználás módja szerinti csprtsításban 6. Atmreaktrk generációi 7. Magyarrszági atmerőművek 8. Mini atmerőművek 9. Reaktrbiztnság, sugárvédelem 10. Atmerőmű balesetek 11. Atmerőmű és környezetvédelem 12. Fúziós erőművek 13. Természetes reaktrk

2 Magsugárzásk detektálása és detektrai 3. fejezet

3 A detektrkról Meghatárzás (detektrk): A detektrk magflyamatk termékeinek, illetve az elemi kölcsönhatáskban részt vevő részecskéknek a kimutatását, sajátságainak a meghatárzását szlgálják. Egyszerűbb detektrk: Számlálók Feladata az, hgy jelezzék a részecske jelenlétét egy adtt pillanatban és egy adtt helyen. Bnylultabb detektrk: A részecskék tulajdnságainak meghatárzására is alkalmas (aznsítás, töltésük, nyugalmi tömegük meghatárzása, kinetikus energiájuk, impulzusuk mérése) A detektálás fizikai alapja: A részecske (sugárzás) és a detektranyag (a legtöbb esetben elektrmágneses) kölcsönhatása. Semleges részecskéket közvetlenül nem lehet detektálni. Csak lyan töltött részecskéken keresztül detektálhatók, amelyeket reakciók srán a semleges részecskék létrehznak.

4 Detektr típusk 1. Gáztöltésű számlálók 2. Szcintillációs számlálók 3. Félvezető detektrk 4. Cserenkv-számlálók 5. Részecskenym-detektrk (Vizuális detektrk) 6. Neutrínó detektrk

5 1. Inizációs kamra: 1. Gáztöltésű számlálók Meghatárzás (Inizációs kamra): Az egyik legegyszerűbb részecskedetektr, amely általában egy párhuzams fegyverzetű, gázszigetelésű síkkndenzátr. Elvi sémája: Működése: Ha egy kndenzátr elektródjai között inizáló részecskék haladnak át, a gázt inizálják. Az elektródkra kapcslt feszültég hatására az ink az elektródkra vándrlnak és az árammérő műszer áramt jelez. Főleg nagy intenzitásk mérésére használják.

6 1. Gáztöltésű számlálók Inizációs kamra energia/jelzett részecskeszám (U-I) karakterisztika: Ha a feszültség túl kicsi a töltéshrdzók lassúak van idejük rekmbinálódni -- nem mind jut el az elektródkhz Az elektrms tér minden a sugárzás által keltett - int és csak azkat begyűjti. Az áram független a feszültségtől.

7 1. Gáztöltésű számlálók 2. Prprcinális számláló: Meghatárzás: Az inizáló sugárzásk srán keletkezett részecskéket és energiájukat számlálja meg. Működési elve: A detektrban eredetileg semleges gáz van. Az elég nagy elektrms tér hatására mzgó szabadelektrnk gerjesztik a gáz mlekuláit. Ha a térerősség elég nagy, akkr az elektrnk a két ütközés közti szabad úthsszn annyi energiát nyerhetnek, mint a gáz inizációs ptenciálja. A következő ütközés alkalmával minden elektrn inizálhat egy atmt, és ezután már két elektrn megy tvább. A következő ütközésnél mindkettő kivált egy-egy újabb elektrnt és így tvább Elektnlavina alakul ki. A kialakult lavinák nagysága és az így kaptt jel aránys (prprcinális) a primer elektrnk számával. (A krlátzó gáz fékezi a lavinát.) Megjegyzések: Mérete: néhány cm méter, síkk távlsága néhány cm. Töltőgáz: argn + krlátzó gáz: metán = P-10 U 2000 V Fnts felhasználási terület: neutrnfluxus mérése

8 2. Prprcinális számláló: Elvi sémája: 1. Gáztöltésű számlálók E = U r ln r 1 r2 r 1 : katód sugara r 2 : anód sugara r : tengelytől való távlság ahl a térerősséget mérjük. U : feszültség E : elektrms térerősség Frrás: Wikipedia

9 1. Gáztöltésű számlálók 3. Prprcinális kamra: Működési elve: Prprcinális számlálók skaságának egy lyan kialakítása, amikr egy laps tartályban egymással párhuzamsan sk szálat feszítünk ki. Ezek lesznek az anódszálak. A szálsík felett és alatt fémlemezek helyezkednek el, amelyek alktják a katódt. A gáztér közös, de ennek ellenére az egyes szálak egymástól függetlenül, mint önálló prprcinális számlálók képesek működni. Elvi sémája:

10 1. Gáztöltésű számlálók 3. Prprcinális kamra: Elektrms tér szerkezete: Megjegyzések: Nagyenergiájú sugárzásknál használják főleg Méretük: dm 2 - m 2 -ig Szálsűrűség: 1-2 szál / 3mm szálat használnak mérésenként Költségesek, drágák!

11 4. Driftkamra: 1. Gáztöltésű számlálók Meghatárzás (driftkamra): Az lyan prprcinális kamrát, amelyekben a szálak közötti távlság jóval nagybb kb. 10 cm nagyságrendű driftkamrának nevezzük. Működési elve: Összefüggés van a részecske által kiválttt inszlp helyzete és azn időtartam között, ami ahhz szükséges, hgy az anódszál begyűjtse az inkat. Ezt az összefüggést fel lehet használni a részecskenym pnts helyzetének a meghatárzására. Ha megmérjük elektrnikus módszerrel azt az időt, ami a részecske áthaladása és az adtt anódszáln való jel megjelenése között eltelt, akkr ebből következtetni lehet a részecske áthaladásának a helyére. krdináta detektr A térerősség hmgén kell legyen. Ekkr a megtett út és a repülési idő közti összefüggés lineáris.

12 1. Gáztöltésű számlálók 5. A Geiger Müller-számláló (GM cső): Működési elve: Ha egy prprcinális számláló tápfeszültségét a nrmális üzemfeszültség fölé növeljük, eljuthatunk egy lyan értékhez, amelynél a gázerősítés végtelen lesz: az egy elektrn által megindíttt kisülés önfenntartóvá válik. Ha kívülről gndskdunk arról, hgy a kisülést kiltsuk, nagyn érdekes számlálótípust nyerünk: lyan számlálót, amelyben a részecske áthaladása csak kiváltja az elektrms impulzust, de annak nagysága már független a részecske energiájától. Kiváltó számláló. A kisülésből kaptt jel nagybb a prprcinális számlálóénál. Lehetséges lyan töltőgáz keveréket találni, amellyel a számláló önkiltóan működik, azaz egy kisülési ciklus után visszaáll alapállaptába. Önkiltó számláló. Gázkeverékek: Argn szervesgáz (pl. alkhlgőz) kisebb intenzitáskra Argn halgéngáz (pl. brómgőz)

13 5. A Geiger Müller-számláló (GM cső): Elvi sémája: 1. Gáztöltésű számlálók Frrás: Wikipedia

14 1. Gáztöltésű számlálók 6. A Szikrakamra: Működési elve: Ha két párhuzams síklap közé sk fémszálat feszítünk ki (mint pl. a prprcinális kamránál), és a lap és a szál közé elég nagy feszültséget kapcslunk (jóval nagybbat mint a prprcinális kamránál), akkr a kettő közt szikra üt át. Ha a spntán szikrázáshz szükségesnél valamivel kisebb feszültséget alkalmazunk és közben egy részecske halad át a lapk között, akkr a részecske után visszamaradt inizált nym különösen kedvező helyzetet teremt a szikra kialakulására. Tehát a nym mentén lévő szálak között fg átütni a szikra. Megjegyzések: Kezdetben (nyugalmi helyzetben) csak kb. 100 V-nyi tértisztító feszültség van jelen. ( Kipuclja a teret a régi inktól). a részecske érkezésekr néhány kv-nyi feszültséget kapcslnak rá a kamrára A szikrasrzat mint húztt nym lefényképezhető krdináta detektr működés.

15 Detektr típusk 1. Gáztöltésű számlálók 2. Szcintillációs számlálók 3. Félvezető detektrk 4. Cserenkv-számlálók 5. Részecskenym-detektrk (Vizuális detektrk) 6. Neutrínó detektrk

16 2. Szcintillációs számlálók Értelmezés (Szcintillációs számlálók): Az egyik legrégebbi detektálási eljárás a sugárzásk által biznys kristálykban keletkező fényfelvillanásk megfigyelésén alapul. Ezt alkalmazták a magfizikai kutatásk kezdetén. A keltett felvillanáskat vizuálisan észlelték és leszámlták. Azkat az eszközöket, amelyeknek számlálási elve fényfelvillanásk és azk leszámlálási elvén alapul, szcintillációs számlálóknak nevezzük. Felépítésük: a. Szcintillátr, melyben a sugárzás energiája fényenergiává alakul. b. Ftelektrn-skszrzó, amely a felvillanáskat elektrms impulzuskká alakítja, c. Elektrms impulzusk erősítése, analizálása, regisztrálása elektrnikával.

17 2. Szcintillációs számlálók 1. A szcintillátr: Szcintilláló anyagk Szervetlen kristályk (ZnS cinkszulfid, NaI - nátriumjdid, CsI, LiI) Szerves egykristályk (antracén, naftalin, sztilbén) Szcintilláló ldatk (tlul) Plasztik szcintillátr (plimerizált flyadékszcintillátr) A sugárzás (α-, β-, γ-sugárzás) fényenergiává alakul át.

18 2. Szcintillációs számlálók 2. A ftelektrn-skszrzó (ftmultiplier): Értelmezés (ftmultiplier): Olyan elektrncső, amely két elemet tartalmaz: a fényérzékeny ftkatódt, tvábbá az erősítő részt ftmultipliernek nevezzük. A fényérzékeny elem a fényáramt elektrnárammá alakítja át. Az erősítő rész a fény hatására keletkező elektrnáramt megfelelően felerősíti.

19 2. Szcintillációs számlálók 3. Egy fnts alkalmazás: Gamma-sugárzás detektálása NaI nagyméretű szcintillációs ernyő Detektálását a fteffektus, a Cmptn-szórás és a párkeltés teszi lehetővé. Az így keltett elektrnk kzzák a kristályban a felvillanáskat.

20 Detektr típusk 1. Gáztöltésű számlálók 2. Szcintillációs számlálók 3. Félvezető detektrk 4. Cserenkv-számlálók 5. Részecskenym-detektrk (Vizuális detektrk) 6. Neutrínó detektrk

21 3. Félvezető detektrk 1. Tulajdnságaik: 1960-as évek elejétől Kis méret Jó energiafelbntó képesség Kis keresztmetszetű sugárzó felületek vagy térfgatkhz jól használható Szilícium és a germánium a legelterjedtebb 2. Működési elv, értelmezés (félvezető detektrk): Olyan inizációs kamráknak tekinthetjük őket, amelyekben az inizáció szilárd, félvezető anyagban jön létre. (Gázközeg helyett félvezető a közeg) 3. Gáztöltésű inizációs kamrával való összehasnlítása: Sűrűbb közeg, mint a gáz kevesebb sugárzás elég a beindításáhz Azns besugárzás esetén több töltéshrdzó keletkezik a félvezető detektrban, mint a gáztöltésű inizációs kamrákban. A mérés stabilabb, kisebb a szórás Jbb energia-felbntóképesség a félvezető detektr esetén Jbb fajlags vezetőképesség.

22 3. Félvezető detektrk 4. Főbb alkalmazási területek: Nehéz töltött részecskék mérése Elektrnk detektálása Gamma-sugárzás regisztrálása Neutrnk észlelése

23 Detektr típusk 1. Gáztöltésű számlálók 2. Szcintillációs számlálók 3. Félvezető detektrk 4. Cserenkv-számlálók 5. Részecskenym-detektrk (Vizuális detektrk) 6. Neutrínó detektrk

24 4. Cserenkv-számlálók 1. Értelmezés(Cserenkv-sugárzás): Ha egy anyagban a közegbeli fénysebességnél nagybb sebességgel halad egy töltött részecske, akkr elektrmágneses sugárzást bcsát ki kúp alakban. Ez a jelenség a Cserenkv-effektus, a kibcsáttt sugárzás a Cserenkv-sugárzás. (Pavel Alekszejevics Cserenkv Nbel-díjas fizikusról nevezték el, aki elsőként jellemezte pntsan.) Cserenkv ( ) Cserenkv-sugárzás jellegzetes kék fénye

25 Cserenkv-sugárzás gemetriája sugárzás iránya v cs φ = 1 nβ = c, v sugárzás iránya β = v c n: a közeg törésmutatója φ: a kúp nyílásszöge

26 4. Cserenkv-számlálók 1. Cserenkv-számláló: Nagysebességű töltött részecskék detektálására fel lehet használni a Cserenkv-sugárzást 2. Elvi sémája: Radiátr ftmultiplier Hengeres tükör fényrekesz A radiátr anyaga gáz.

27 Detektr típusk 1. Gáztöltésű számlálók 2. Szcintillációs számlálók 3. Félvezető detektrk 4. Cserenkv-számlálók 5. Részecskenym-detektrk (Vizuális detektrk) 6. Neutrínó detektrk

28 5. Részecskenym-detektrk Detektrk Számlálók Egy adtt részecske, adtt időben adtt helyen való megjelenéséről adnak számt. Részecskenymdetektrk A részecskék a pályájuk mentén nymt hagynak, húznak maguk után majd ezt a nymt lefényképezik. A pálya adataiból infrmációk nyerhetők. (Inizációs sűrűség, görbület mágneses térben, stb )

29 1. A ködkamra vagy Wilsn-féle ködkamra: A legrégibb nymdetektr, Részecskenym-detektrk Ha egy gáz- ill. gőzkeverékkel töltött edényben túltelítettséget hzunk létre, a gőz kicsapódik a jelenlévő gázinkra, majd a kicsapódtt ködcseppek tvább növekednek és láthatókká válnak. Így ki lehet mutatni az elemi részecskék pályáit, mert a töltött részecskék a haladásuk nymában inizálják a gázatmkat. Túltelítettség létrehzása: adiabatikus tágítással A kamra működtetésének 3 lépése: a. A kamra gáztöltésének expandáltatása b. A keletkező nymk lefényképezése c. A kamra előkészítése a következő kísérletre Frrás: Paksi Atmerőmű

30 2. A bubrékkamra: 5. Részecskenym-detektrk A nymk a frráspnt fölé túlfűtött flyadékban alakulnak ki. Túlfűtött flyadékban a bubrékk nem semmisülnek meg, hanem növekedni kezdenek. A kamrában haladó töltött részecske bubréknymt húz maga után, ami lefényképezhető. A működési ciklus hasnló, mint a ködkamráé. Működéskr a nymást hírtelen csökkentik. Frrás: Wikipedia

31 3. A szilárdtest nymdetektrk: 5. Részecskenym-detektrk A szilárd szigetelőanyagkban, egykristálykban, üvegszerű anyagkban és szerves plimerekben nehéz töltött részecskék áthaladása nymán maradandó váltzásk keletkeznek. Ezek a váltzásk szubmikrszkópikusak, aznban megfelelő módszerekkel mikrszkóp alatt láthatóvá tehetők. Főbb tulajdnságaik: Tipikusan küszöbdetektrk, azaz csak egy (anyagra jellemző) küszöb feletti energiaveszteségű részecskéket regisztrálnak. Lehetőséget nyújtanak energiamérésre, de meghatárzásra, dx részecske beaznsításra, áthaladási irány megállapítására Igen jó a gemetriai felbntóképességük (5 20 nm) Szélsőséges környezeti hatáskra érzéketlenek Készítésük, előhívásuk, észlelésük relatíve egyszerű és gyrs Jellegzetes alkalmazási területei: Hasadás vizsgálata Alfa-részecskék kibcsátására vezető reakciók vizsgálata Nehéz részecskék beaznsítása nagyenergiájú reakciókban Kzmikus sugárzás elsődleges kmpnensének vizsgálata

32 5. Részecskenym-detektrk 3. A szilárdtest nymdetektr felvétel:

33 Detektr típusk 1. Gáztöltésű számlálók 2. Szcintillációs számlálók 3. Félvezető detektrk 4. Cserenkv-számlálók 5. Részecskenym-detektrk (Vizuális detektrk) 6. Neutrínó detektrk

34 1. Számlálós neutrínó detektrk: 6. Neutrinó detektrk E berendezésben a flyadékszcintillációs detektrk váltakznak krdináta-detektrként szlgáló driftkamrákkal. A neutrínók kölcsönhatása srán szekunder részecskék keletkeznek és ezeket használják fel neutrínó detektálásra Cserenkv-körök a neutrínó szórásban