GÁZTÖLTÉSŰ RÉSZECSKEDETEKTOROK ÉPÍTÉSE CONSTRUCTION OF GASEOUS PARTICLE DETECTORS Bagoly Zsolt 1, Barnaföldi Gergely Gábor 2, Bencédi Gyula 2, Bencze György 2 Dénes Ervin 2, Fodor Zoltán 2, Hamar Gergő 2, Horváth Ákos 1, Horváth Péter 2, Kiss Gábor 1, Kluka Tamás 3, Kovács Levente 1, László András 2, Lévai Péter 2, Márton Krisztina 1, Mátyás Miklós 1, Melegh Hunor 2, Oláh László 1, Papp Gábor 1, Surányi Gergely 1, Varga Dezső1 1,2, Zalán Péter 2 1 Eötvös Loránd Tudományegyetem 2 MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet 3 az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója ÖSSZEFOGLALÁS A fizika és technika fejlődése ellenére a középiskolai oktatás megáll a múlt évszázad első felénél. A diákok érdeklődését leginkább úgy kelthetjük fel az új ismertek iránt, ha a tananyagot érinthetővé tesszük számukra. Gáztöltésű részecskedetektorok építése során a középiskolás diákok mélyebb rálátást nyernek több modern fizikai elv jelentőségére, megismerkedhetnek a detektorok szerkezeti felépítésével, gyakorlati szerepével, a digitális adatok számítógépes feldolgozásával, egyben betekintést nyernek a modern kutatói munkába is. BEVEZETÉS A középiskolai tanagyag nem tart lépést az emberiség fizikai ismereteinek folyamatos bővülésével. Az új ismeretek mindennapjainknak is részeivé váltak (atomenergia, biokémia, GPS, mobilkommunikáció, orvosi diagnosztika, stb.), a tudás átadása, az érdeklődés felkeltése tehát az általános oktatás feladata. A modern fizika egyik leggyorsabban fejlődő ága a nagyenergiás folyamatok vizsgálata (részecske- és magfizika). Úgy lehet a diákok érdeklődését leginkább felkelteni, ha a tananyagot kézzelfoghatóvá tesszük és egyes jelenségeit veszélytelenül demonstráljuk. Erre jó példa lehet a kozmikus sugárzás kutatása (ami a természetes radioaktív háttérsugárzás része) és az ezzel kapcsolatos kísérletek kivitelezése. A magyar REGARD kutatócsoport (RMKI-ELTE GAseous detector Research and Development) innovatív gáztöltésű detektorok kutatásával és fejlesztésével foglalkozik, részben CERN kísérletekhez, részben környezetfizikai és orvosi alkalmazásokhoz. Az alábbiakban bemutatásra kerülő detektorok és kiegészítő berendezések építésébe bekapcsolódott három középiskolás diák is, akik ténylegesen részt vettek a detektorok építésében is. MÜON DETEKTOROK ALKALMAZÁSA GYAKORLATBAN A kozmikus müonok detektálása sok fizikai elv és jelenség demonstrálására nyújt lehetőséget (Pl.: relativitáselmélet, természetes radioaktivitás, bomlási folyamatok, elektromágneses kölcsönhatás). Az ilyen detektorok működésének alapelvei a matematikai részletek mellőzésével elmagyarázhatók akár a középiskolás diákoknak a fizika óra vagy 331
szakkör keretein belül. Általánosan érvényes, hogy a kevésbé motivált diákok figyelmét is felkelti, ha a tananyag gyakorlati része kerül előtérbe. Legtöbben az ismeretek aktualitására lesznek figyelmesek, ugyanakkor vannak, akiknek érdeklődését ez sem ragadja meg, olyankor alkalmazhatjuk az interdiszciplináris jellegét. Néhány példa erre: A régészeti kutatások során a gáztöltésű detektorokat alkalmazták a gízai piramisok tanulmányozásánál. Régen a sírrablók és régészek agyafúrt módszerekkel próbáltak rálelni a fáraók sírjaiban elrejtett kincsekkel teli titkos kamrákra. A kutatók a 19. század elején lőporral robbantottak lyukakat a Khephrén piramisba, annak reményében, hogy titkos kamrát találnak. Ezek a próbálkozások azon felül, hogy nem jártak sikerrel, sok kárt is okoztak a piramisokban. 1965-ben felmerült, hogy kozmikus müonok vizsgálatára készített detektorok felhasználásával végezzenek régészeti feltárásokat a piramisoknál. Luis W. Alvarez és csoportja elindította a Piramis programot, a Belzoni Kamrában felépített egy részecske detektort, a müonok detektálására. Néhány hónap után nyilvánvalóvá vált, hogy a már kettő ismert kamrán kívül a piramisban nem található 2 m-nél nagyobb üreg. A vulkánok belső szerkezetének ismerete azért fontos, hogy megismerjük annak működését és esetleges következő kitörésének jellegét. A kutatás során használatos hagyományos módszerek (mélyfúrás, szeizmikus tomográfia) nem nyújtanak elégséges eredményeket a térfelbontásról, melyek 10 m-től akár 1 km-ig is terjedhet. Ezért Japánban H. Tanaka és csoportja a kozmikus müonok segítségével térképezték fel az Asama-vulkánt, így részletes információt kaptak a vulkán belső szerkezetéről és a benne található anyag sűrűségének eloszlásáról. 2001. szeptember 11-e óta az Amerikai Egyesült Államok előtérbe helyezte a nemzetvédelemmel kapcsolatos feladatokat, minden eszközt felhasználva, hogy megelőzze az esetleges következő terrortámadást. Fokozott figyelemmel ellenőrzik a nukleáris anyagokat és azok mozgását. Egy újszerű eljárást dolgozott ki egy amerikai kutatócsoport L. J. Schultz és K. N. Borozdin vezetésével, ahol a kozmikus müonok többszöri szórását passzívan vizsgálják. Így lehetőség nyílik árnyékolt anyagok észlelésére is. Egyik nagy előnye ennek a módszernek, hogy a vizsgálat elvégezhető a jármű vezetőjének jelenlétében is, mivel nem alkalmaznak mesterséges forrást. A nagyenergiás folyamatokban keletkező müonok detektálása a részecskefizikában központi szereppel bír. A CMS (Compact Muon Solenoid) a CERN nagy hadronütköztető LHC egyik detektora, melyben protonok ütköznek egymással szemben, nyugalmi tömegüknél közel 3600-szor nagyobb energiával. A kísérlet célja többek között a Higgs-részecske megkeresése, melynek legjobban detektálható bomlási formája négy nagy energiájú müon a CMS neve is erre utal. GÁZTÖLTÉSŰ DETEKTOROK Tipikusan a részecskedetektorokban a töltött részecskét az elektromágneses kölcsönhatásán keresztül figyeljük meg, ugyanis ennek valószínűsége több nagyságrenddel nagyobb, mint a gyenge vagy az erős kölcsönhatásé. A gáztöltésű detektorokban a töltött részecske a gáz atomjaival való ütközés következtében elektron-ion párokat kelt. 1 cm argonban átlagosan mindössze 100 ilyen pár keletkezik, ami nem mérhető az egyéb elektronikus zajokhoz képest. Ahhoz, hogy mérhető eredményt kapjunk a kiolvasás előtt további erősítésre van szükség. Ilyen erősítést egy jelentős pozitív feszültségre kötött vékony anódszállal érhetünk el. Így az elektron útban az anódszál felé a növekvő elektromos térben felgyorsul, elegendő sebességnél pedig újabb elektronokat vált ki, melyek szintén további elektronokat keltenek, exponenciálisan növő lavinát alakítva ki. A szálat elérő elektronok száma sokszorosa az eredetinek (1. ábra, a-c). Végül az elektronfelhő az anódszálra érkezve jól mérhetővé válik (1. 332
ábra, d-e), a hátrahagyott pozitív ion-felhő pedig mérhető jelet kelt a környező többi elektródában is. 1. ábra. Az elektron útja az anódszál felé Georges Charpak 1968-ban kifejlesztette a sokszálas proporcionális kamrát (MWPC, multi-wire proportional chamber), amelyért 1992-ben Nobel-díjjal jutalmazták. A klasszikus elrendezésben két sík katód lemez között egymással párhuzamosan több anódszál helyezkedik el (2. ábra). Charpak bebizonyította, hogy a közös gáztér ellenére a kamra alkalmas a mérésre. Mivel az elektronlavina során keletkezett pozitív ionfelhőnek árnyékoló hatása van, ezért a jel csak az ahhoz közeli anódszálon mérhető. Az ilyen sokszálas kamra segítségével megállapítható a töltött részecske áthaladási helye. Több ilyen kamra összeillesztésével olyan detektort kapunk, amellyel a részecske egyenes pályája meghatározható. 2. ábra. A sokszálas proporcionális kamra (MWPC) szerkezete A közel-katódos elrendezés (Close Cathode Chamber, CCC) a sokszálas proporcionális kamra egy továbbfejlesztett változata. A CCC kamrák lényegbeli előnye az MWPC-kel szemben, hogy könnyebb a szerkezetük, egyszerűen építhetőek és toleránsabbak az apró pontatlanságokkal szemben. Szerkezetileg hasonlítanak, ugyanakkor itt az anódszálak mellett elhelyezkedik egy-egy negatív feszültségű térformáló szál is. Az anódszál (sense wire) átmérője 20 μm, míg a térformáló szálaké (field wire) 100 μm (3. ábra). 3. ábra. A közel-katódos elrendezés (CCC) szerkezete Az MWPC-vel szemben a szálsík itt közelebb helyezkedik el az alsó katódhoz, ezért a feszültségek is eltérőek. Míg a szálakon néhány 100 V feszültség van, addig a szálakhoz közelebbi katód földelt, a távolabbi körülbelül -500 V potenciálon van (4. ábra). 333
4. ábra. Ekvipotenciális vonalak a CCC kamra belsejében Ez az aszimmetrikus elrendezés lehetővé teszi számunkra már akár egy kamra segítségével a kétdimenziós jelkiolvasást, mégpedig úgy, hogy az alsó földelt katódot szegmentáljuk, így a szálakra merőleges független érzékelő felületeket kapunk, ezeket pad-eknek nevezzük (5. ábra), itt az elektronfelhő tükörtöltése detektálható. 5. ábra. A szálak és a pad-ek elrendezése BARLANGKUTATÁS A diákok a legjobban úgy értik meg a tananyagot, ha maguk is bekapcsolódnak a gyakorlati mérésekbe. Sajnos az iskolák nem rendelkeznek olyan eszközökkel, amivel a modern fizikai méréseket tudnának végezni, pedig a kozmikus sugárzások kutatása éppen ilyen lehetőséget jelent. A jelen cikkben tárgyalt konstrukció megépítése nem irreális költségű, jelentős része leegyszerűsíthető annyira hogy kis felszereltségű műhelyhátteret igényeljen csak, amely bármely középiskolának rendelkezésére állhat. A kozmikus müonok a légkör felső rétegeiben (20-30km) jönnek létre bomlási folyamatok során. A müonok átlagos élettartama mindössze 2 µs, ez a klasszikus kinematikában azt jelentené, hogy a fénysebességgel haladó müonok legfeljebb 660 m távolság megtételére lennének képesek. Ugyanakkor a fénysebességgel haladó részecskék a relativisztikus kinematikának megfelelően mozognak, így az idődilatáció következtében képesek eljutni a Föld felszínére. A müonok talajban haladva megközelítőleg néhány tíz méter megtétele után jelentős mértékben elnyelődnek a talaj szerkezetétől függően, tehát az ilyen mérések kiértékelésével képet kaphatunk a talaj anyagmennyiségének az eloszlásáról is. Az RMKI REGARD csoport és az Ariadne Karszt- és Barlangkutató Egyesület közös egyezménye által lehetőség nyílhat olyan barlangüreg feltárására, amelyre eddig nem sikerült rálelni a klasszikus módszerek segítségével. A csillebérci RMKI laboratóriumában olyan CCC kamrákból összeállított detektor készült (6. ábra), amely a Pilisi Ajándékbarlangba kerül 2011 őszén, így egy feltételezhető barlangüreg mérhető lesz az alatta elhelyezett müon-detektorral. 334
Fizika Modern fizika 6. ábra. A projekt során készített detektor A kamrák építésében részt vettek középiskolás diákok is a folyamat egyes jól definiált, mélyebb előismeretet nem igénylő részeiben (eleinte kisebb majd egyre összetettebb műhelymunkák, elektronikus eszközök forrasztása, kalibrációs mérési feladatok, etc.). Mivel a berendezés barlangba kerül, három lényegi problémát kell megoldani: egyik a mobilitás és kis fogyasztás, ami egy technikailag összetett kérdés. Második a mechanikai stabilitás illetve a mechanikai hatásokra való érzéketlenség, ami a fent említett CCC konstrukció egyik fontos aspektusa. Harmadik a közel száz százalékos páratartalom: ennek megoldását nagy részben a hallgatók végezték, megtervezve és megépítve egy légmentes plexi dobozt, amelyben a berendezés lekerül a mérési helyre. A diákok motiváltságát a csapatmunka is erősítette, a feladatok jó részére együtt kerestek megoldásokat majd végül kivitelezték a kialakult tervet. TOVÁBBI CÉLOK Mivel maga a mérés nem igényel különösebb emberi felügyeletet, a továbbiakban a diákok a digitális adatok feldolgozásába kapcsolódnának be, ami számítástechnikai és programozási ismereteket mélyít el. Olyan program fejlesztését tudják elvégezni, amely azonosítja a részecskepályákat, ebből információt nyújt a barlang struktúrájáról, illetve anyagösszetételéről. Az adatok vizualizációja közvetlenül grafikusan is szemléltethetővé teszi a mérés eredményeit. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A projektet az OTKA-NFÜ 77719, 77815 pályázatok, valamint a Bolyai Kutatási Ösztöndíj Pályázat támogatják. IRODALOMJEGYZÉK 1. F. Sauli, Principles of Operation of Multiwire Proportional and Drift Chambers, CERN-77-09. 2. http://regard.kfki.hu/cikkek/olah_laszlo_szakdolgozat.pdf (2010), OTDK 1. díj 3. http://regard.kfki.hu/cikkek/kiss_gabor_szakdolgozat.pdf (2010), OTDK különdíj 4. D. Varga, G. Hamar, G. Kiss. Nucl. Instr. And Meth. A, Volume 648, Issue 1, 5. Pages 163-167, 21 August 2011. L. W. Alvarez, et al., New Series, Volume 167, Issue 3919 (1970), 832-8329 335