Magsugárzások detektálása és detektorai

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

Magsugárzásk detektálása és detektrai 3. fejezet

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.

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

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.

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.

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

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

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:

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 10 2 10 5 szálat használnak mérésenként Költségesek, drágák!

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.

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)

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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 (1904-1990) Cserenkv-sugárzás jellegzetes kék fénye

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

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.

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 )

1. A ködkamra vagy Wilsn-féle ködkamra: A legrégibb nymdetektr, 1912. 5. 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

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

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

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

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