oddziaŁywanie promieniowania z materiĄ

92
ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER

Upload: ryan-gibson

Post on 02-Jan-2016

43 views

Category:

Documents


6 download

DESCRIPTION

ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ. TADEUSZ HILCZER. Plan wykładu. Wprowadzenie Podstawowe pojęcia Zderzenie i rozproszenie Przewodnictwo materii Naturalne źródła promieniowania jonizującego Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

ODDZIAŁYWANIEPROMIENIOWANIA

Z MATERIĄ

TADEUSZ HILCZER

Page 2: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 2

Plan wykładu

1. Wprowadzenie2. Podstawowe pojęcia3. Zderzenie i rozproszenie4. Przewodnictwo materii5. Naturalne źródła promieniowania jonizującego6. Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio 7. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio8. Źródła promieniowania jonizującego9. Pole promieniowania jonizującego10.Detekcja promieniowania11. Skutki napromieniowania materii żywej12. Dozymetria medyczna13. Ochrona przed promieniowaniem14. Osłony przed promieniowaniem

Page 3: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

DETEKCJA PROMIENIOWANIA

Page 4: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor

• detektor – urządzenie do wykrycia określonego zjawiska

• każdy detektor ma określone możliwości pomiarowe, wynikające z jego zasady działania, użytych materiałów i urządzeń.

• nie istnieje zasada, na podstawie której można by zbudować detektor uniwersalny.

• każdy detektor jest wynikiem pewnego kompromisu pomiędzy wymaganiami a możliwościami.

• inne są konieczne parametry detektora przy detekcji promieniowania jonizującego w badaniach naukowych, dozymetrii, w zastosowaniach technicznych, medycznych itp.

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 4

Page 5: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detekcja promieniowania

• do detekcji promieniowania jądrowego można wykorzystać dowolne zjawisko lub proces, którego typowy przebieg zależny jest od rodzaju, energii, mocy lub strumienia padającego promieniowania jądrowego

• ze względów praktycznych nie wszystkie procesy, spełniające powyższe wymagania mogą być stosowane do detekcji

• nie wszystkie są– dostatecznie powtarzalne,– bez następstw

• poprzednia informacja nie ma wpływu na następną

– łatwe do standaryzacji– do wykonania– …

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 5

Page 6: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detekcja promieniowania

• każdy detektor służący do wykrycia określonej wielkości fizycznej można rozważać jako układ posiadający wejście i wyjście

• do ogólnej analizy podstawowych cech detektora nie jest konieczna znajomość procesów w nim zachodzących

• dla detektorów jądrowych– sygnał wejściowy - promieniowanie, – sygnał wyjściowy - informacja charakterystyczna

dla danego typu detektora• na wyjściu detektora informacja może być

– ciągła– dyskretna (cyfrowa)

• dają różne informacje o naturze padającego promieniowaniaTadeusz Hilczer, wykład monograficzny 6

Page 7: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detekcja promieniowania

• cząstkę promieniowania jądrowego– o energii E– kierunku określonym kątem – przechodzącą w momencie czasu t przez

powierzchnię czynną detektora promieniowania w punkcie r

• opisuje zbiór wielkości (r,E,) oraz czas t• inne parametry opisujące cząstkę

– jej masa– ładunek– …

• trzeba uwzględniać w miarę potrzeby przy rozważaniach dotyczących konkretnego zagadnienia

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 7

Page 8: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detekcja promienowania

• w wyniku oddziaływania cząstki z detektorem– gdy nie ma żadnych efektów ubocznych

• pojawi się w chwili t0 sygnał wyjściowy - odpowiedź detektora

G(B,t0|r,E,,t) = G(t)B - zbiór wszystkich parametrów

charakteryzujących detektor(r,E,,t) - parametry charakteryzujące cząstkę

padającą na detektor w chwili t• odpowiedź detektora może być sygnałem ciągłym

lub dyskretnym w zależności od typu urządzenia pomiarowego– sygnał elektryczny– optyczny, – zaczernione ziarno emulsjiTadeusz Hilczer, wykład monograf

iczny

8

Page 9: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detekcja promieniowania

• odpowiedź detektora G(t) jest wielkością stochastyczną nawet przy ustalonych parametrach promieniowania padającego na detektor

• powodem jest– statystyczny charakter promieniowania– fluktuacje parametrów detektora

• informacje powstałe w detektorze a nie wykorzystane w informacji wyjściowej zaliczane są do tła

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 9

Page 10: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detekcja promieniowania

• sygnał na wyjściu detektora y(t) ma dwie informacje– G(B,t) - właściwą - odpowiedź detektora

• ma charakter przypadkowy– s(t) - nie związaną z odpowiedzią detektora (tło,

szum)

• dla sygnału wyjściowego z k informacji– obserwowanych w przedziale czasu (t1,t2)– przy stałej składowej s(t)

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 10

)(),(G)( tstty B

)(),()(1

txtGty ii

k

ii

B

Page 11: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Obróbka informacji

• obróbka informacji w urządzeniu rejestrującym ma na celu znalezienie najbardziej prawdopodobnej wartości parametrów B, przy określonej wartości s(t)

• gdy– s(t)  0 składowa s(t) jest do zaniedbania– s(t)  0 składowej s(t) zaniedbać nie można– s(t) G(B,t) wnioskowanie nie jest pewne– s(t) > G(B,t) wnioskowanie jest niemożliwe

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 11

Page 12: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora

• Podstawowa charakterystyka detektora– prawdopodobieństwo rejestracji cząstki przez

detektorR(r,E,,t)

– gęstości prawdopodobieństwa rejestracji r(B,t0|r,E,,t)

• opisuje przetwarzanie informacji w detektorze• dla ustalonych parametrów (r,E,) opisujących

cząstkę w momencie czasu t w którym cząstka znajduje się w miejscu detektora opisana zbiorem parametrów B charakteryzujących informację

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 12

Page 13: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora idealnego

• charakterystyka detektora idealnego

– gdy dla niezarejestrowanej cząstki wszystkie parametry informacji wyjściowej są równe zeru

• detektor punktowy– małe rozmiary w porównaniu z odległościami

występującymi w doświadczeniu– nie zakłóca w sposób istotny pola promieniowania

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 13

00

0 dd),,,|,(),,,( ttttt

BrBrB

EE rR

Page 14: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora idealnego

• dla detektora o parametrach niezmiennych w czasie– R(r,E,,t) zależy jedynie od różnicy czasu t0-t

(wartość stała) - można włączyć do zbioru parametrów B

• gęstość prawdopodobieństwa rejestracji r(B|r,E,)– nie zależy od czasu– jest jedynie funkcją B dla cząstki o parametrach

(r,E,)• prawdopodobieństwo rejestracji R(r,E,,t)

– charakterystyka detektora idealnego o parametrach niezależnych od czasu

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 14

BrBrB

d),,|(),,(R0

EE r

Page 15: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora idealnego

• charakterystyki detektora punktowego– wydajność detektora– czułość detektora

• wydajność detektora D(E,) - wielkość bezwymiarowa

S - rzut powierzchni detektora na kierunek prostopadły do kierunku propagacji promieniowania

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 15

S

SD

d

d),,(R),(

EE

r

Page 16: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora idealnego

• charakterystyki detektora punktowego– wydajność detektora– czułość detektora

• czułość detektora zD(E,)

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 16

]m[),(),( 2 SDD EE

Page 17: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora idealnego

• wydajność detektora– pada strumień cząstek o gęstości f(r,E,W)

• stosunek strumienia zarejestrowanych cząstek do strumienia wszystkich cząstek przechodzących przez powierzchnię detektora

– wybierając ze zbioru parametrów B liczbę impulsów N

 

• stosunek liczby cząstek zarejestrowanych do liczby cząstek dochodzących do detektora w tym samym czasieTadeusz Hilczer, wykład monograficzny 17

S

SD

d),,(

d),,(R),,(),(

E

EEE

r

rr

),(),(

),(0

EE

ENN

D

Page 18: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

• podstawowa charakterystyka– funkcja odpowiedzi detektora G(B|r,E,)

• miara prawdopodobieństwa, że dla cząstki określonej parametrami (r,E, ) informacja wyjściowa jest opisana zbiorem parametrów B

• stosunek gęstości prawdopodobieństwa zarejestrowania cząstek o parametrach (r,E, ), do wszystkich cząstek przechodzących przez powierzchnię detektora

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 18

S

S

d),,(

d),,|(),|(G

E

EE

r

rBB

p

p

Page 19: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

• w praktyce do opisu rejestrowanego zjawiska wybiera się minimalną liczbę parametrów charakterystycznych

• wybrany jeden parametr wejściowy P– Wybieramy ze zbioru parametrów B parametr R

odpowiadający parametrowi P informacji wejściowej

• układ pomiarowy ma symetrię osiową zgodną z kierunkiem propagacji promieniowania – dla zmiennego w czasie promieniowania o energii

E rozchodzącego się w kierunku

W(P), W(R)- rozkłady parametru wyjściowego i wejściowego dla wybranego parametruTadeusz Hilczer, wykład monograficzny 19

RPRRP d)|(G)(W)(W

Page 20: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

• podstawowe cechy dobrego detektora:– funkcja odpowiedzi powinna być dystrybucją

• w realnych detektorach ma zawsze skończoną szerokość (na skutek statystycznego charakteru zjawiska)

– sygnał wyjściowy liniową funkcją wybranej cechy • dokładne spełnienie tych warunków jest w praktyce

niemożliwe– dobór detektora do konkretnego zagadnienia jest

bardzo ważny– wymaga dokładnej analizy warunków

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 20

Page 21: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

• sygnał na wyjściu detektora pojawia się w wyniku określonego procesu fizycznego na skutek przemian energetycznych– detektor więc najpierw absorbuje pewną energię a

następnie ją emituje w rozmaitej postaci• proces fizycznej rejestracji ma pewien próg

energetyczny poniżej którego detektor nie jest w stanie zarejestrować sygnału

• przemiana energetyczna zachodzi w skończonym czasie– liczba cząstek rejestrowanych w jednostce czasu

jest ograniczona i może się znacznie różnić od liczby cząstek dochodzących do detektora

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 21

Page 22: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

• czasowa zdolność rozdzielcza– wynik istnienia progu energetycznego rejestracji

Vp,– informacja wyjściowa jest opóźniona o pewien

czas t*

• powód - statystyczny charakter procesu– określona jest przez odchylenie standardowe

różnicy czasu t* pojawienia się sygnałów:

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 22

V

V P

ttt t1 2 t t1 2

m m

t t ( *) 2

Page 23: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

• energetyczna zdolność rozdzielcza– określa szerokość połówkowa funkcji odpowiedzi

detektora

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 23

EE

E

1

G(R)

0,5

R

R

E R

R

Page 24: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

• wszystkie detektory mają określoną „bezwładność”– zmniejszenie liczby rejestrowanych zdarzeń– związana z procesami zachodzącymi w momencie

rejestracji w samym detektorze• „bezwładność” powoduje, że kolejna cząstka

trafiająca na detektor nie zregenerowany nie jest zarejestrowana mimo, że sama spełnia warunki „rejestrowalności”

• „bezwładność" detektora jest jego czasem martwym t

• sygnał z detektora może również napotykać na podobne efekty w dalszych częściach urządzenia pomiarowego– większa liczba czasów martwych ti

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 24

Page 25: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Charakterystyki detektora realnego

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 25

WY

WE

t1

WE

WY

t1

Page 26: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor

• detektor promieniowania jądrowego powinien dać informacje, potrzebne do określenia istotnych parametrów dla danego zagadnienia, na przykład– dokładny czas jest konieczny przy identyfikacji

cząstek, pochodzących z określonego zjawiska– rodzaj cząstki można określać na podstawie

równoczesnego pomiaru prędkości i pędu, wyznaczając jej masę spoczynkową

• Niektóre badania wymagają nieprzerwanej pracy układu detekcyjnego przez setki a nawet tysiące godzin.

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 26

Page 27: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor zesplony

• detektor zespolony – zespół kilku detektorów działających na różnych zasadach

• detektor zespolony– umożliwia równoczesną rejestrację wielu

parametrów, koniecznych do identyfikacji i opisu badanego zjawiska

– wykorzystuje współczesne możliwości technologiczne i obliczeniowe

– pozwala wybierać, rejestrować i analizować ogromne ilości danych z bardzo wielką szybkością

– przy wielkich przyspieszaczach jest urządzeniem bardziej od nich skomplikowanym i drogim a wymiary sięgają setek m3

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 27

Page 28: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Podział detektorów

• detektory można podzielić ze względu na rodzaj otrzymywanej odpowiedzi na:

– detektory elektryczne (gazowe, półprzewodnikowe, scyntylacyjne)

– detektory śladowe (emulsje jądrowe, komory Wilsona i pęcherzykowe)

– detektory kalorymetryczne

– detektory radiochemiczne

– detektory luminescencyjne, chemiczne

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 28

Page 29: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor gazowy

• detektor gazowy promieniowania jądrowego - kondensator dowolnego kształtu umieszczony w naczyniu z gazem, w którym istnieje pole elektryczne o natężeniu E

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 29

E

A1 A2

Page 30: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor gazowy

• gdy do wnętrza kondensatora (do objętości czynnej) dochodzi promieniowanie następuje jonizacja gazu

• efekt jonizacji zależy od:– własności padającego promieniowania– parametrów detektora

• objętość, • geometria, • natężenia pola E,

– rodzaj gazu i jego parametrów• ciśnienie, • temperatura

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 30

Page 31: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor gazowy – charakterystyka prądowa

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 31

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E

I

I II III

IV

V

VI

Page 32: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora jonizacyjna

• komora jonizacyjna - detektor gazowy pracujący w obszarze nasycenia (obszar III)– prąd jonizacyjny zależy od jonizacji pierwotnej

• pojemność komory jonizacyjnej C - rzędu kilku pF, - opór R od 108W do 1015W– stała czasowa RC od 10-3s do 104s

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 32

E

I

komora jonizacyjna

Page 33: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 33

Komora jonizacyjna prądowa

• Komora jonizacyjna prądowa (całkująca) - komora o dużej stałej czasowej RC

• Komora jonizacyjna prądowa służy do pomiaru średniego prądu jonizacyjnego

Page 34: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 34

Komora jonizacyjna impulsowa

R M

U

A1 A2 C’

C

• Komora jonizacyjna impulsowa - komora o małej stałej czasowej RC

• Komora jonizacyjna impulsowa rejestruje pojedyncze impulsy prądu, wywołane przez cząstki jonizujące

Page 35: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 35

Komora jonizacyjna – pierścień ochronny

MM

IJ

IU

IJ + IU

(a) (b)

• pierścień ochronny dzieli izolator komory na dwa segmenty

– bez pierścienia – przez układ pomiarowy M przepływa prąd jonizacyjny i prąd upływności izolatora (a)

– z pierścieniem - przez układ pomiarowy M przepływa tylko prąd jonizacyjny (b)

Page 36: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 36

Komora jonizacyjna P.Curie

• Komora P.Curie– prąd jonizacyjny

kompensowany za pomocą piezokwarcu

Page 37: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 37

Komora jonizacyjna

A1

A2

dozymetr indywidualnyz komorą jonizacyjną

płaska komora jonizacyjna z pierścieniem ochronnym

Page 38: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 38

Licznik proporcjonalny

E

I

licznik proporcjonalny

• licznik proporcjonalny - detektor gazowy pracujący w warunkach wzmocnienia gazowego (obszar V)

• Prąd jonizacyjny licznika proporcjonalnego jest proporcjonalny do jonizacji pierwotnej

Page 39: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 39

Licznik proporcjonalny

r

E

rk ra r

• elektrony w obszarze IV są pomiędzy kolejnymi zderzeniami przyspieszane do energii znacznie przekraczającą energię jonizacji E gazu wypełniającego detektor

Page 40: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 40

Licznik proporcjonalny

LP

R

C

U

W

• licznik proporcjonalny ma zwykle geometrię cylindryczną lub cylindryczną katodę i anodą w kształcie pętli

• dla innej geometrii, np. dla kondensatora płaskiego, jony powstałe w różnych miejscach mają różne wzmocnienia gazowe– prąd jonizacyjny nie jest proporcjonalny do

jonizacji pierwotnej

Page 41: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 41

Charakterystyka licznika proporcjonalnego

N

U1 Up. U2 U

dU dN

Page 42: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 42

Licznik proporcjonalny wielodrutowy

A K

• licznik proporcjonalny wielodrutowy (G. Charpak 1968-1970)

– anoda detektora z równoległych drutów umieszczona w płaszczyźnie między dwoma płaskimi elektrodami katody

– średnica drutów anody ok. 20 mm– odległość miedzy drutami 2 mm,

– odległość pomiędzy elektrodami katody rzędu 10 mm

Page 43: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Licznik proporcjonalny wielodrutowy

• licznik proporcjonalny wielodrutowy

– wypełniony mieszaniną argonu i izobutanu i pracuje przy różnicy potencjałów rzędu 5 kV

– każdy z drutów anody jest połączony z oddzielnym wzmacniaczem i działa jak niezależny licznik proporcjonalny.

– efektywna przestrzenna zdolność rozdzielcza jest rzędu 1 mm

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 43

Page 44: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Licznik G-M

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 44

• licznik G-M - detektor gazowy pracujący w warunkach jonizacji lawinowej (obszar VI)– prąd jonizacyjny nie zależy do jonizacji pierwotnej

E

I

licznik G-M

Page 45: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Licznik G-M

• zapoczątkowanie jonizacji lawinowej zależy od– natężenia i rozkładu pola E – od rodzaju i ciśnienia gazu

• kolejna rejestracja wymaga wygaszenia jonizacji lawinowej– układem zewnetrznym– liczniki samogasnące

• dodanie do gazu wypełniającego substancję gaszącą wyładowanie (pary alkoholi, pary chlorowców)

• napięcie progowe zależy od czułości układu pomiarowego

• dla dużej czułości (rzędu 0,1 V) - napięcie progowe:– liczniki alkoholowe ok. 1000 V,– liczniki chlorowcowe ok. 200 V

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 45

Page 46: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 46

Licznik G-M

Page 47: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 47

Pierwszy licznik G-M

Page 48: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

48

Komora dryfowa

• komora dryfowa - detektor wielodrutowy o specjalnie ukształtowanym polu elektrycznym

A

K

h

D

E

O

• pomiędzy anodą A (układ równoległych drutów) a płaską katodą K znajdują się dodatkowe elektrody E wytwarzające w obszarze KO o długości h niezbyt silne prawie jednorodne pole elektryczne

• w tym polu chmura elektronów (z jonizacji pierwotnej) porusza się z prędkością prawie jednostajną w kierunku anody• moment przejścia cząstki wywołującej jonizację

pierwotną rejestruje detektor DTadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Page 49: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora dryfowa

• czas zbierania ładunku chmury jest miarą położenia punktu jonizacji pierwotnej– w mieszaninie argonu i izobutanu

• prędkość dryfu jest rzędu 40 mm/s • geometryczna zdolność rozdzielcza w

płaszczyźnie jest rzędu 0,1 mm• segmentowa katoda pozwala wyznaczyć

współrzędne śladu xz na płaszczyźnie• czas dryfu chmury elektronowej jest współrzędną z• ładunek zebrany na anodzie pozwala określić stratę

energii dE/dz

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 49

Page 50: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora dryfowa

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 50

xc x

z

zc

A

K

Page 51: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora projekcji czasowej

• skomplikowany detektor gazowy rejestruje równocześnie– przestrzenne współrzędne toru cząstki– jej zdolność jonizacyjną dE/dx

• składa się z szeregu komór dryfowych– umieszczone jedna za drugą– katody znajdują się w jednej płaszczyźnie

• można wyznaczyć– współrzędną y zarejestrowanej cząstki– odtworzyć przestrzenny tor cząstki

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 51

Page 52: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora projekcji czasowej

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 52

segmentowa katoda

anoda

ślad

rzut śladu

Page 53: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor półprzewodnikowy

• detektor półprzewodnikowy– komora jonizacyjna z dielektrykiem stałym

pomiędzy elektrodami• w porównaniu z detektorem gazowym ma znacznie

większą– wydajność rejestracji– zdolność rozdzielczą czasową i energetyczną

• jest to związane z różnymi procesami powstawania i ruchu jonów w detektorach gazowych i półprzewodnikowych

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 53

Page 54: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektor półprzewodnikowy

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 54

napylona elektroda

gruba elektroda

półprzewodnik

doprowadzenia

napylone elektrody

półprzewodnikdoprowadzenia

Page 55: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - wykład monograficzny 55

Detektor półprzewodnikowy

+-

+-

+-

+-

Page 56: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 56

Detektor półprzewodnikowy

detektor półprzewodnikowy

do pompypróżniowej

napełnianie ciekłym azotem

połączenia

ciekłyazot

pręt miedziany

Page 57: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 57

Detektor półprzewodnikowy

impuls pozycyjnyd

x

Page 58: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Detektory śladowe

• detektor śladowy pozwala zarejestrować określony efekt przejścia cząstki jonizującej przez materię w postaci śladu– obserwacja wizualna

• efektem przejścia może być– zaczernienie ziaren emulsji fotograficznej– skroplenie pary– przeskok iskry– …

• rejestracja śladu pozwala na analizę przestrzenną danego zjawiska

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 58

Page 59: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora Wilsona

• pierwowzór w powszechnie obserwowanym zjawisku przyrody - tworzeniu się chmur

• warunki kondensacji pary wodnej badał Coulier (1875)– do kondensacji konieczne są określone ośrodki np.

pyłki• ośrodkami kondensacji mogą być jony Wilson (1897)

– badając tworzenie się kropelek deszczu w chmurach zbudował komorę (1911)

– ślady ciągu kropelek wody o średnicy do 1 mm obserwował gołym okiem

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 59

Page 60: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora Wilsona

• hermetycznie zamknięty zbiornik wypełniony mieszaniną gazu (powietrza, argonu, helu, azotu) z parą nasyconą (wody, alkoholu)

• rozprężenie można uzyskać przez:– nagłe przesunięcie tłoka (komora tłokowa)– nagłe przesunięcie membrany (komora

membranowa)– zmianę ciśnienia wewnątrz objętości czynnej

przez połączeniem z częścią o mniejszym ciśnieniu - Wilson 1933 (komora rozprężeniowa)

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 60

Page 61: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 61

Komora Wilsona

Page 62: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 62

Komora Wilsona

Page 63: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

63

Komora Wilsona

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Page 64: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Komora Wilsona

• adiabatyczne rozprężenie gazu powoduje obniżenie temperatury– para w objętości czynnej staje się parą

przesyconą• stan pary przesyconej jest nietrwały

– następuje kondensacja na jakichkolwiek ośrodkach kondensacji (np. jony czy pyłki)

• czas w którym komora jest zdolna do rejestracji zależy od– konstrukcji komory– gazu wypełniającego

• ciśnienia• temperatury

– zawiera się w granicach od 0,01 s do 3 s. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 64

Page 65: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

65

Komora Wilsona

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Page 66: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

66

Komora pęcherzykowa

• wykorzystuje się zjawisko kondensacji pary o w obszarze zawierającym ciecz przegrzaną

• podstawową ideę komory pęcherzykowej opracował D.Glaser (1952)

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Page 67: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

67

Komora pęcherzykowa

• komory szklane– „czyste” warunki realizacji stanu przegrzania– komory małe– długi czas istnienia stanu przegrzanego (do 1 s)

• komory metalowe o dokładnie wypolerowanych ścianach wewnętrznych– komory o dowolnych rozmiarach– bardzo krótki czas istnienia stanu przegrzanego

(10 ms)

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Page 68: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

68

Komora pęcherzykowa

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Page 69: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

69

Komora pęcherzykowa

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Page 70: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 70

Detektor Czerenkowa

Page 71: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 71

Komora iskrowa

+-

Page 72: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 72

Komora strimerowa

GI

F

K

M

a

b

c

Page 73: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 73

Spintaryskop

lupa

preparat promieniotwórczy

ekran

Page 74: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 74

Spintaryskop

Page 75: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Scyntylacje

• spintaryskop jeden z najstarszych detektorów– obserwacje okiem– używany w wielu znanych eksperymentach– wykrycie istnienia jądra atomowego (Rutherford)

• w latach trzydziestych ub.w. wyparty przez łatwiejsze eksperymentalnie metody jonizacyjne

• zastosowanie fotopowielaczy (1947)• metoda scyntylacyjnej detekcji promieniowania

jądrowego jest obecnie szeroko stosowana

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 75

Page 76: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 76

Licznik scyntylacyjny

• licznik scyntylacyjny– składa się ze scyntylatora i fotopowielacza

• główne etapy pracy:– absorpcja energii promieniowania w

scyntylatorze,– przetworzenie energii zaabsorbowanej na

energię fotonów,– przejście powstałych fotonów do katody

fotopowielacza,– absorpcja fotonów w katodzie i emisja

elektronów,– powielanie elektronów między dynodami w

fotopowielaczu, – impuls wyjściowy z anody fotopowielacza.

Page 77: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 77

Licznik scyntylacyjny

scyntylator fotopowielacz

impuls

K D1 D2 D3 Dk A

E Ej

Ef

Page 78: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 78

Emulsje jądrowe

S

S0 A

C B

D

E

log E

Page 79: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 79

Emulsje jądrowe

x

y

x

y’

y

y’

x

a) b)

Page 80: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 80

Emulsje jądrowe

Page 81: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 81

Detektor termoluminescencyjny

g r z e j n i k

r u r k a n i k l o w ap o k r y t a C a F 2

a m o r t y z a t o r

a m o r t y z a t o r

o b u d o w a s z k l a n a

Page 82: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 82

Detektor termoluminescencyjny

FP

W

T

R

G

Page 83: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 83

Kalorymetr

B

A

Page 84: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 84

Kalorymetr

termoparatermopara

źródło

grzejnikz zasilaniem

Page 85: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 85

Detektor zespolony

fotony

elektrony

miony

hadrony

neutrony

zespół detektorów

detektor śladowy detektormionowy

kalorymetry:

elektromagnetyczny

hadronowy

Page 86: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 86

Detektor zespolony

kalorymetr mionowy

detektor Czerenkowa

komora dryfowa

detektor wierzchołka

magnes

Page 87: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 87

Detektor zespolony

1

2

3

456

78

910

11

12

13

1415

16

17

9

e+e-

Detektor DELPHI - CERN (część centralna i odsłonięta jedna pokrywa: 1 – detektor wierzchołka oddziaływania, 2 – detektor wewnętrzny, 3 – komora projekcji czasowej, 4 – detektory Czerenkowa, 5 – detektor zewnętrzny, 6 – kalorymetr elektromagnetyczny, 7 – solenoid nadprzewodzący, 8 – detektory scyntylacyjne czasu przelotu, 9 – kalorymetr hadronowy, 10 – komory mionowe, 11 – komora dryfowa A, 12 – detektor do pomiaru świetlności, 13 – detektory Czerenkowa, 14- komora dryfowa B, 15 – kalorymetr elektromagnetyczny, 16 – komory mionowe, 17 – detektory scyntylacyjne)

Page 88: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 88

Detektor zespolony

12

3

4

5

6 7

8

9

e+e-

Detektor MARK 1 (1- mionowe komory iskrowe, 2- absorbenty, 3- detektor kaskad, 4- detektor wyzwalacza, 5- drutowe komory iskrowe, 6- komory domykające, 7- komory proporcjonalne, 8- solenoid kompensujący, 9- detektor świetlności)

Page 89: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 89

Detektor zespolony

Page 90: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 90

Detektor zespolony (CERN)

Page 91: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 91

Detektor zespolony

Page 92: ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA  Z MATERIĄ

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 92

Budowa materii