Elementy fizyki jądrowej Wykład 3. dr Dorota Wierzuchowska, dw7@onet.eu

Detekcja promieniowania Detekcja opiera się na fakcie, że przy przechodzeniu cząstki naładowanej przez materię następują różnorodne oddziaływania i straty energii. Wzdłuż trajektorii cząstki powstaje wiele par elektron-jon i cząstek w stanie wzbudzonym. Odczytanie informacji w tym zawartej stanowi zadanie detektora.

Detektory promieniowania Detektory aktywne, w których informacja o cząstkach pojawia się natychmiast Detektory pasywne, z których informacja podlega obróbce zanim zostanie odczytana.

Aktywne detektory promieniowania Detektory gazowe: licznik Geigera-Mullera, liczniki proporcjonalne, komory jonizacyjne, komory iskrowe Liczniki scyntylacyjne Detektory półprzewodnikowe

Pasywne detektory promieniowania Detektory śladowe: klisze rentgenowskie i jądrowe, Detektory luminescencyjne

Liczniki scyntylacyjne Licznik scyntylacyjny składa się z scyntylatora, który pochłania energię promieniowania jonizującego, a następnie emituje światło widzialne. Często do scyntylatora podłącza się układ rejestrujący i wzmacniający, najczęściej fotopowielacz. Układ scyntylator – fotopowielacz jest bardzo czuły, pozwala rejestrować szybkie zmiany strumienia cząstek w funkcji czasu.

Fotopowielacz Foton padając na fotokatodę fotopowielacza uwalnia z niej elektron przyśpieszany następnie w polu elektrycznym i przy pomocy specjalnych elektrod skupiających kierowany na pierwszą dynodę. Elektron, uderzając w powierzchnię dynody, wybija z niej pewną liczbę elektronów wtórnych zależną od przyłożonego napięcia i materiału, z którego została wykonana. Ten proces wtórnej emisji elektronów powtarza się na kolejnych dynodach. W ten sposób wzmocniony sygnał może zostać zarejestrowany.

Schemat licznika scyntylacyjnego Kiedy naładowana cząstka przechodzi przez scyntylator traci energię E na jonizację oraz wzbudzenia cząsteczek scyntylatora. Część tej energii (10% - 40%) zostaje wypromieniowana we wszystkich kierunkach w postaci kwantów światła. Zebrany na anodzie fotopowielacza ładunek jest funkcją energii, masy i ładunku padającej cząstki

Detektory półprzewodnikowe Elementem czynnym jest złącze p–n spolaryzowane w kierunku zaporowym. W wyniku przejścia cząstki w krysztale półprzewodnika powstają swobodne nośniki prądu elektrycznego. Są one zbierane na elektrodach a powstający krótkotrwały (rzędu kilkudziesięciu ns) impuls prądu jest wzmacniany i rejestrowany.

Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym Dodatni biegun dodatni źródła odciąga elektrony obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza, wobec czego w strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego, pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku.

Detektory cząstek alfa

Wizualizacja śladów cząstek alfa w materiale detektora następuje na skutek obróbki chemicznej lub elektrochemicznej. Ilość śladów proporcjonalna jest do stężenia radioaktywnego izotopu radonu w powietrzu.

Cyklotron Cyklotrony to urządzenia służące do przyspieszania cząstek naładowanych. Zasada działania cyklotronu polega na przyspieszeniu cząstek za pomocą periodycznych w czasie impulsów pola elektrycznego. Cząstki poruszają się wzdłuż zakrzywionego toru w kształcie spirali. Zakrzywienie toru następuje pod działaniem pola magnetycznego o indukcji B.

Siła Lorentza Na ładunek elektryczny q poruszający się z prędkością v w polu magnetycznym o indukcji działa siła Lorentza: Wartość siły Lorentza można zapisać w postaci skalarnej: Siła Lorentza jest zawsze prostopadła do prędkości może więc zmieniać jedynie jej kierunek, a nie wartość.

Pod działaniem siły Lorentza cząstka porusza się po spirali

Cząstka porusza się po okręgu o promieniu r Siła Lorentza pełni rolę siły dośrodkowej. Pod jej działaniem cząstka porusza się po okręgu, którego promień można wyznaczyć z równania:

Częstość cyklotronowa Okres ruchu cząstki wynosi: Częstość jest równa

Schemat budowy cyklotronu

Warunek rezonansowy Każdemu przejściu między duantami towarzyszy wzrost prędkości ruchu i powiększenie promienia orbity. Częstotliwość napięcia doprowadzonego do duantów musi być zsynchronizowana z okresem obiegu cząstek. Jest to warunek rezonansowy. Można go zapisać zależnością :

Cyklotrony

Wielki Zderzacz Hadronów Large Hadron Collider Przewiduje się, że LHC umożliwi odkrycie bozonu Higgsa, który uczestniczy w nadawaniu mas cząstkom elementarnym, oraz cząstek tworzących ciemną materię, którymi być może będą cząstki supersymetryczne. największy na świecie akcelerator cząstek (hadronów), znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy.

Komputerowa symulacja wyniku zderzenia cząstek.