Compton-effektus Szóródás elektronon A foton energiája csökken, iránya változik. Az impulzus és energia megmaradásából: p 0 = p e + p 1 p e 2 2 2 = p p p 0 1 e p0 p1 p0 p1 = + 2 cos ϕ p c + m c = p c + m c + p c 2 2 2 2 4 0 e e e 1 p = p + p + 2 p m c 2 p p 2 p m c 2 2 2 e 0 1 0 e 0 1 1 e hν 1 = hν 0 1+ γ h ν γ = m c e 1 ( 1 cosϕ) 0 2 p 1 = p0 p + m c ϕ ( ) 0 1 1 cos e
hν 1 = hν 0 1+ γ 1 ( 1 cosϕ) Compton-effektus Az átadott energia maximuma ϕ=180 foknál van: max E e = E γ Eγ = E 1+ 2γ γ 2γ = E 1+ 2γ γ 1 Eγ = 1 1+ m0c 1+ 2γ 2E Valószín sége (hatáskeresztmetszete) arányos az elektronok számával, azaz Z-vel. γ 2 Energiafüggése a fotoeffektushoz képest gyenge: Comptoneffektus
Compton-effektus Hatáskeresztmetszet szögfügg, A Klein-Nishina formula írja le. Kis energián egyenletesebb eloszlás, nagy energián el re mutat: Ennek és a klasszikus elektronsugárnak a mérése: III. év BSc:
Párkeltés Atommag vagy más részecske közelében A foton energiája egy elektron-pozitron pár keltésére, és azok mozgási energiájára fordítódik. Ehhez legalább 2m e c 2 foton-energia kell (2x511 kev). (elektron terében kétszer ennyi). Az elektron-pozitron pár tömegközépponti rendszerében: a végállapot összimpulzusa 0, de a kezdeti fotoné nem lehet az. Ezért szükséges hogy az atommag vagy elektron elvigye az impulzus egy részét. Energiafüggése: Az 1022 kev küszöbérték felett gyorsan n a hatáskeresztmetszet, majd lassabban. párkeltés
A három folyamat összehasonlítása Fotoeffektus dominál párkeltés dominál Comptoneff. dominál Látszik, hogy a fotoeffektus és a párkeltés Z-függése er sebb, mint a Compton-effektusé. Nagy energián mindig a párkeltés, kis energián mindig a fotoeffektus a legnagyobb valószín ség.
Monoenergiás gamma-spektrum szerkezete, elemi folyamatok dupla kiszökési csúcs egyszeres kiszökési csúcs Compton-hát Compton-él fotocsúcs
Detektorok csoportosítása Tematika Gáztöltés detektorok, ionizációs kamra, proporcionális kamra, GM-cs m ködése, feszültség-áram karakterisztika, magreakción alapuló neutrondetektor GM-csõvel, Félvezetõ-detektorok, felépítés, vezetési és vegyértéksáv, HPGe, Ge(Li), Si(Li), miért kell ket h teni, Monoenergiájú gamma-sugárzás detektorban hagyott energiájának eloszlása, jellegzetes események, spektrum szerkezete, spektrum értelmezése, Szcintillációs detektorok szcintillátor, fényhozam, fotoelektron-sokszorozó, amplitúdó-analizátor, Vizuális detektorok, ködkamra, buborékkamra, nyomdetektor, termolumineszcens doziméter, szikrakamra, közös mûködési elv
Detektorok, mérések célja Alapelvek: sugárzás eléri a detektort, kölcsönhat az anyaggal, elveszíti az energiáját vagy annak egy részét, sok kis energiájú elektron szabadul fel, ezeket összegy jtve elektromos jellé alakítjuk. Milyen detektort válasszunk? Ez a sugárzás fajtájától függ, és hogy mit akarunk mérni. Pl. alfa-sugárzás: vékony (0.01-0.1 mm) detektor elég. Béta: 0.1-1 mm. gamma: 10 cm. Ha csak a sugárzás jelenléte érdekel: GM-cs. Ha az energiát is akarjuk mérni: az energialeadással arányos jel kell. Pontos méréshez (kis statisztikus flukt.) az kell, hogy az ionizáló részecske sok elektront szabadítson fel (pl félvezet kben). Ha pontos id mérés kell, akkor gyors válaszid fontos (pl. m anyag szcintillátor). Részecske-azonosításhoz speciális detektorok, amelyek a tömegre, töltésre érzékenyek (emulzió, repülési id, TRD, Cserenkov, TPC, stb). Nagy intenzitásokhoz: kis holtidej detektor. Részecskepálya méréséhez (impulzus): helyérzékeny detektor, MWPC, TPC, Si, stb.
Detektorok Ködkamra Wilson-féle diffúziós Buborékkamra GM-cs (Geiger-Müller számláló) Ionizációs kamra Félvezet detektorok Cserenkov-detektorok Szcintillációs detektorok Szilárd Folyadék Kaloriméterek
Gáztöltés : Detektorok csoportosítása ionizációs kamra, proporcionális kamra, GM-cs, MWPC (Multiwire Prop. Chamber), TPC (Time Projection Ch.) Félvezet detektorok: HPGe (high purity Ge), Ge(Li), Si(Li) Szcintillációs detektorok: NaI, folyadék, szerves (m anyag), TLD (termolumineszcens doziméter) Cserenkov-detektorok: folyadék (víz), gáztöltés Vizuális detektorok: ködkamra, buborékkamra nyomdetektorok, emulzió, fotolemez Kaloriméterek
töltött részecske Gáztöltés detektorok U Töltött részecske ionizál Elektromos térben az elektronok az anódszálra gy lnek Elektromos impulzus 1) Ionizációs kamra: az U feszültség kicsi, az elektronok nem tudnak tovább ionizálni. Annyi elektron megy az anódra, ahány ionizáció Kétféle üzemmód: I impulzus-üzemmód: egy impulzus/töltött részecske. áram-üzemmód: a részecskefluxussal arányos áram 2) Proporcionális kamra: nagyobb U feszültség. Elektron-lavina (másodlagos t ionizáció) a szál közelében, ahol az elektromos tér nagy. Az elektronok két ütközés között elég energiát szereznek az elektromos térb l az újbóli ionizációhoz. Sokszálas kamra, MWPC, TPC: a részecskék helyét, pályáját is méri. 3) GM cs : akkora feszültség, hogy önnfenntartó lavina, az egész hengerben. Nagy ellenállással kell sorbakötni (automatikus feszültség-csökkenés a kisüléskor). Mindig azonos nagyságú jelet ad, nem alkalmas energiamérésre, csak érzékeny számlálásra.
ionizációs kamra I Rekombinációk a gázban Nincs elektronsokszorozás Jel ~ ionizált elektronok száma Gázer sítés Elektronsokszorozás Jel ~ ionizált el. száma GM prop. kamra Mindig óriási lavina Nincs energiamérés Feszültség-áram karakterisztika Gázdetektorok U
Sokszálas kamrák
Katód-csík kamrák
Resistive plate chamber (RPC)
Time Projection Chamber (TPC) Homogén elektromos és mágneses tér (párhuzamos) Kiolvasás a kamra tetején Méteres drift úthossz NA49 kísérlet, CERN SPS
TPC (NA49) Drift térfogat He-zsák
Time Projection Chamber
Nyomkövetés az NA49 TPC-vel
TPC - részecskeazonosítás
Neutronok detektálása Visszalök désen alapuló (neutron-mag rugalmas ütközés) Magreakciókon alapuló (lassú neutronokra) 10 B vagy 6 Li Atommagtól jóval nagyobb neutronbefogási hatáskm. ~1/v BF 3 gázból GM cs n + 10 B α + 7 Li 10 B(n,α) 7 Li Mindkét esetben töltött részecskék mérésére vezetjük vissza! Csak a töltött részecskék ionizálnak. Ezeket a legkényelmesebb mérni.
Potenciál egykristályban: Félvezet detektorok Delokalizált elektronok Atomtörzs, kötött elektronok Elektronok hullámfüggvénye sok atomtörzsre kiterjed Nagyon sok energiaszint energiasáv Kristályrács sávszerkezet. Félvezet knél speciális sávszerkezet: Vezetési sáv (szabad mozgás) E gap 1 ev Szigetel : E gap 30eV Fém: E gap < 0 Vegyérték sáv
Félvezet detektorok Lítiumot belediffundálnak: Ge(Li), Si(Li) Ge Si H teni kell. Ge P Ge e - Ge Ge Ge - n típusú szennyezés (negatív) Kiürített zóna Ge Ge Li p típusú Újabb technika: HPGe: nagyon tiszta + szennyezés germánium (high purity). (pozitív) Folyékony nitrogénnel h tjük (h mozgás csökkentése) Beérkez gamma-foton kilök egy elektront (Compton, fotoeffektus), az elektron ionizál amíg el nem fogy az energiája, elektron-lyuk párok keletkeznek, a rákapcsolt feszültség (néhány kv) hatására kimennek az elektródákra. Jel: U U 0 U 0 ~ N e- ~ E d t Amplitúdó-analizátor: osztályozza, hisztogramozza a jeleket nagyság szerint.
Monoenergiás gammasugárzás spektruma E 0 Példáklehetséges folyamatokra: 0) E d =E 0 Fotoeffektus 1) E d <E 0 Compton-effektus(ok), utána kiszökés 2) E d =E 0 Compton-effektusok sorozata 3) E d =E 0 Párkeltés, annihiláció, Compton, foto 4) E d =E 0-511keV Párkeltés, annihiláció, kiszökés 5) E d =E 0-1022keV Párkeltés, annihiláció, kiszökés 6) E d <E 0 Visszaszórás, fotoeffektus
Monoenergiás gamma-spektrum szerkezete, elemi folyamatok dupla kiszökési csúcs egyszeres kiszökési csúcs Compton-hát Compton-él fotocsúcs
Félvezet nyomkövet detektorok
CMS szilícium nyomkövet rendszer Pixelek: 66 millió pixel, 25 ns exponálási id
Sztintillációs detektorok Szcintilláló anyag + fotoelektron-sokszorozó (PMT, photomultiplier tube) Szcintilláció: töltött részecskék energialeadásának hatására gerjesztések, majd kis fényfelvillanás PMT detektálja ezt a látható v. UV fényt: fotoeffektus, majd elektron-sokszorozás E d ~ N gerjesztett ~ N látható foton Fotoeffektus fotoelektron befókuszálódik elektron becsapódik néhány elektront kiüt ezek a következ dinódán megint többszöröz dnek. 10-12 dinóda milliószoros elektronhozam (er sítés).
Szcintilláció Fontos: saját kibocsájtott fotonjaikkal szemben átlátszóak kell, hogy legyenek. Gerjesztési energia Vibrációs szintek Gerjesztett állapot Szerves szcintillátorok: Gerjesztés valamelyik vibrációs szintre A vibrációs alapállapotot gyorsan eléri Utána legerjesztd dés az alapállapotba, foton kibocsátás. Ez a foton nem tud elnyel dni, nincs elég energiája. alapállapot Vezetési sáv vegyértéksáv atomtávolság Szervetlen szcintillátorok: pl. NaI kristály (40 foton/kev, 50% hatásfok). Egykristály kell (átlátszóság). Ionizáló részecske a vegyértéksávból a vezetési sávba gerjeszti az elektront. Gap kb. 4 ev. Aktivátorok: pl Tl, szennyezés, energiaszinteket hoz létre a két sáv között. Legerjeszt dés ezeken keresztül. Önátlátszóság.
Fényvezet k A szcintillátorok és a PMT-k optikai csatolása Teljes visszaver dés fontos, lágy ívek, nincsenek töréspontok
KFKI RMKI, CERN Id mérés: Time of Flight
Részecske-azonosítás TOF és p segítségével
A TOF és de/dx technikák kombinálása Egy adott impulzustartományban a részecskék ionizációja és repülési ideje is a tömegükt l függ. NA49 TPC és TOF detektorok CERN SPS
Szcintillációs és félvezet detektorok felbontásának összehasonlítása
Cserenkov képalkotó detektorok Cserenkov sugárzás: már volt róla szó Közegbeli fénysebességnél gyorsabb töltött részecske esetén
RICH Ring Imaging Cserenkov detektorok
Átmeneti sugárzás detektorok (transition radiation, TRD) Felhasználás: részecske-azonosítás ott, ahol az id mérés és a fajlagos ionizáció módszerek már nem m ködnek Röntgen tartomány Sok réteget alkalmaznak (sok sugárzás)
Streamer kamra (szikrakamra) Fémlemezek, köztük nemesgáz Trigger (pl. szcintillátor, nyalábdetektor) hatására hirtelen nagyfeszültség kapcsolódik be Az ionizációk helyén szikra alakul ki.
Elektromágneses záporok
Elektromágneses kaloriméterek A fotonok, elektronok teljes energiáját elnyelik, a teljes energiával arányos jelet adnak. Energiatartomány: 1 GeV 1 TeV