1 / 53

Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek

Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek. 1. hét: Magfizikai alapok Radioaktív sugárzás Sugárzás és anyag kölcsönhatása 2. hét: Sugárzásdetektorok Gáztöltésű detektorok Ionizációs kamra Proporcionális számláló GM cső Szcintillációs detektorok Szcintillátorok

cameron-humphrey
Download Presentation

Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek 1. hét: Magfizikai alapok Radioaktív sugárzás Sugárzás és anyag kölcsönhatása 2. hét: Sugárzásdetektorok Gáztöltésű detektorok Ionizációs kamra Proporcionális számláló GM cső Szcintillációs detektorok Szcintillátorok Fotondetektorok Félvezető detektorok

  2. A mikrovilág fizikájakb. 1900- • Kvantáltság (pl. ħνenergiakvantum ), kvantumszámok • Kizárási elv(fermionokra) • Részecske-hullám dualitás • Tartózkodási valószínűség: |Ψ|2 • Határozatlansági reláció Δx Δp ħ(puskagolyó ≈ 10-33 cm) Δt ΔE ħ • Tömeg-energia ekvivalencia: E = m c2(eV,keV,MeV) • Megmaradási tételek: energia, impulzus (lendület), impulzusmomentum (perdület), elektromos-töltés, barionszám, leptonszám, izospin, stb.

  3. Az energiamegmaradás tétele

  4. Az atomok felépítéseRutherford 1911 Rutherfordék észleltek néhány igen nagy szögben eltérülő (visszapattanó) alfa részecskét. Ez csakis akkor lehetséges, ha valahol az atom belsejében létezik egy erősen pozitiv, azaz az alfa részecskékkel azonos, töltésű és egyúttal nehéz, nagy tömegű képződmény. Vagyis az atomnak (egy ilyen) magja kell, hogy legyen.

  5. Az atomok felépítéseChadwick 1932

  6. Az atomok felépítése • Alkotórészek: méret tömeg e- elektron (1897, Thompson) <10 -16 cm 511.00 keV/c2 p+ proton (1919, Rutherford) 10 -13 cm 938.26 MeV/c2 n neutron (1932, Chadwick) 10 -13 cm 939.55 MeV/c2 p, n = nukleonok a neutron szabad állapotban instabil ! • Radioaktív bomlásban keletkeznek : e+ pozitron (1932, Anderson) <10 -16 cm 511.00 keV/c2 ν neutrinó (1919, Rutherford) -- < 0.2 eV/c2 γ gamma (1900, Villard) -- -- Eredetileg nincsenek a magban !

  7. Milyen kölcsönhatások (erők) működnek az atomban (és az egész világegyetemben) ? erősség iránya hatótávolság időállandó távolságfüggés Gravitációs 1 (szempilla) vonzó ∞? 1/r2 Gyenge(magerő)1026 (25 km Pb) taszító 10-16 cm 10-10-103 s ?? Elektromágneses1036 (bolygók) v/t ∞ ≥10-20 s 1/r2 Erős (magerő)1039 (Nap) V/t ~ 10-13 cm ≥10-23 s e-αr /r2 e− , e+ : G, EM p+ : G, Gy, EM, E n : G, Gy, EM,E ν : G, Gy γ : G, EM

  8. Taszító elektromágneses (Coulomb) erő a protonok között Vonzó magerő: p-n és p-p (igen közelről mindkettő taszító!) Az atommag felépítése, főbb bomlásmódjai

  9. = mC-12 / 12 Miért létezik atommag ?Energiamérleg megközelítés Ha energetikailag kedvező (létrejöttével a rendszer összenergiája csökken) és kvantum-kiválasztási szabályok sem tiltják, akkor adott kötött nukleon- kombináció megvalósulhat Tömeghiány = kötési energia = 0.03035 u = 28.3 MeV = 4 x 7.07 MeV

  10. Elektronhéj – atommag összehasonlítása

  11. Atom és atommag energetikai viszonyai(potenciálgödör)

  12. Milyen alakúak az atommagok ?Milyen a maganyag eloszlása ? alapállapot P+ N gerjesztett állapot Neutron-halo, -glória

  13. Arany atom Legkülső elektron Nap- rendszer Legkülső bolygó Mennyire üresek az atomok ? ρmag = 200 Mt/cm3 ρnukleon = 700Mt/cm3

  14. Az atommagok azonosítása X vegyjel Z rendszám (protonok) N neutronok száma A =Z+N tömegszám 14C = „szén-14” egyértelmű Atom tömege Rendszám protonok száma Neutronok száma

  15. Izotóp és izobár magok iso = azonos topos = hely bar = súly

  16. Az atommagok kötési energiái

  17. Atommag-hasadás és fúzió Példák A hasadás lehet spontán folyamat is a fúzió soha !!

  18. Természetes radioaktivitás Primordiális: 232Th 14 Mrd év 238U 4.5 Mrd év 40K 1.2 Mrd év 235U 0.7 Mrd év 222Rn 4 nap Kozmikus eredetű: 14C 5700 év 3H 12 év Stabil magok száma: ~ 210 1 Becquerel = 1 Bq = = 1 bomlás/sec Radioaktivitás, radioaktív bomlás

  19. N = P izobárok Protonok száma izotópok Neutronok száma Milyen P-N kombinációk fordulnak elő ?

  20. Milyen bomlási (átalakulási) módok léteznek?

  21. α – bomlás(erős kölcsönhatás) α = He++ E+EM kölcsönhatás Z0→ Z0-2 A0 → A0-4 diszkrét energiák Magyarázat (magerő !)? Energetikailag OK, de miért ennyire eltérőek a felezési idők ?? Főleg Z ≥ 82 magokra vα≈ 0.1 c

  22. Az α-részecske alagúteffektusa a magCoulomb-potenciál gátján Gamow 1928 Makroszkopikus alagúteffektus: M=25 g H=20 cm d=1 mm T=10115év ! Az alagutazási idő rendkívül erősen függ az alagút hosszától és a gát magasságától. Ezért változik a felezési idő annyira az emittált alfa részek energiájától !

  23. β-= e- Z0 → Z0+1 A0 → A0 folytonos energiák Vβ≈ 0.9 c β+ = e+ Z0 → Z0 -1 A0 → A0 folytonos energiák β-- és β+(pozitron)- bomlás, (héj)elektronbefogás(gyenge kölcsönhatás)

  24. A β-stabilitás völgye (izotóp keresztmetszet) Proton többlet Neutron többlet

  25. A β-stabilitás völgye (izobár keresztmetszet) Magtömeg m Izobár keresztmetszet

  26. β- bomlás részletesebb magyarázat

  27. Dirac („tenger”) 1928 Anderson 1932 a pozitron, mint egy negatív energiájú elektron nagyenergiájú kozmikus részecskék által hiánya a Dirac tengerben keltett nyomok ködkamrában A pozitron ( e+ )

  28. Spontán hasadás

  29. Egyéb (ritka) radioaktív bomlások A mag kibocsáthat protont, neutront, valamint nehezebb magcsomókat is, pl. C, O, Ne, Mg, Si atommagokat is !!

  30. Komplex bomlási sorok (példa)

  31. Magbomlások után gerjesztett állapotba került atommagok legerjesztési folyamatában kibocsátott diszkrét energiájú (0.01-10 MeV) EM fotonok. v γ = c Radioaktív γ-sugárzás (nem magbomlás!)

  32. papírlap fémlemez ólomtégla Töltött részecskék Gamma sugárzás Radioaktív-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

  33. Radioaktív-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal γ-sugárzás töltött részecskék az energia állandó az intenzitás állandó az intenzitás egyre csökken az energia egyre csökken (elnyelődés miatt) (lassulás miatt)

  34. γ-sugárzás (EM) kölcsönhatása az anyaggal Fotoeffektus: elnyelődés Compton effektus: szórás Párkeltés: elnyelődés Intenzitáscsökkenés: I(x) = exp(- μx) μ = μF + μC + μP

  35. Fotoeffektus Párkeltés fotoelektron pozitron Bejövő foton Bejövő foton Kötött elektronon μF ~Z5/E3.5 E ≥ 1.02 MeV μP ~Z2 ln(E) elektron elnyelődés szóródás Rayleigh sz. Koherens sz. Meglökött elektron Compton szórás Szóródott foton Bejövő foton Szórt foton Bejövő foton μT~Z2/E2 Kvázi szabad elektronon μC ~Z/E γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

  36. Compton effektus

  37. γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

  38. γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

  39. Mélységi kép (oldalnézet) Előlnézet 5 MeV α sziliciumban szimuláció Töltött részecskék (EM) kölcsönhatása az anyaggal energialeadás hatótávolság

  40. Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal Egyetlen energikus töltött részecske pályája az azt szegélyező, a szilárd testet alkotó atomok ionizációja során kilökött (ún. delta) elektronok fürtjével

  41. Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal Az anyagon való áthaladás során egy töltött részecske kölcsönhathat • Az atomi elektronokkal ( általában ez a meghatározó) • Az atommagokkal

  42. Egy ilyen kölcsönhatás lehet: • Ionizáció –a részecske kiüt egy atomi elektront a kötött állapotból • Atomi gerjesztés –egy kötött elektron magasabb energiájú, de szintén kötött állapotba kerül Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal A töltött részecskéknek az atomi elektronokkal történő kölcsönhatása tisztán elektrosztatikus (Coulomb) jellegű Egy ionizált vagy gerjesztett atom karakterisztikus röntgen sugárzást vagy egy újabb, ún. Auger elektront bocsát ki. Mindkét esetben újabb elektronhiány(ok) áll(nak) elő egy külsőbb elektronhéjon, így a folyamat elölről kezdődik, ill. mindaddig folytatódik, míg szabad (nem kötött) elektronok révén az atom legkülső héján sem marad elektronhiány.

  43. ~ 1/v2 dE/dx fajlagos energiaveszteség Töltött részecske impulzusa Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal

  44. Al Al Au Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal A bombázó elektronok mozgási energiájának és a fékező anyag minőségének hatása a behatoló elektronok pályájára. Az elektron (vagy pozitron) kis tömege miatt egy héj-elektronnal való ütközésben nagyon eltérülhet, ill. sok energiát veszíthet. Pályájuk ezért ennyire zegzugos – ellentétben más, sokkal nehezebb töltött részecskékkel.

  45. Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal A bombázó elektronok mozgási energiájának és a fékező anyag minőségének hatása a behatoló elektronok pályájára

  46. Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal Fékezési sugárzás Cserenkov sugárzás μFS~ E Z2 (z/m)2 v > c/n Főleg könnyű részecskékre (elektron) jellemző a szuperszonikus repülők hangrobbanásával analóg

  47. Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal Az ionizáció és a fékezési sugárzás részesedése elektronok és pozitronok fékezésében

  48. Pozitron kölcsönhatása az anyaggal Átlagosan kb. 10-9 s ideig (közben max. néhány mm utat tesz meg) a pozitron úgy viselkedik, mint bármely más töltött részecske. Energiát veszít, lelassul. Azután… annihilálódik egy elektronnal. Az annihiláció (annihilation) latin eredetû szó és megsemmisülést jelent. Annihiláció (vagy szétsugárzás) egy részecske és antirészecskéjének olyan kölcsönhatása (ütközése), amelyben az eredeti részecskék megszûnnek és új részecskék keletkeznek. A zárt rendszer energiája, impulzusa, impulzusmomentuma, elektromos töltése stb. természetesen megmarad

More Related