ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ

1. ODDZIAŁYWANIEPROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER

2. Plan wykładu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny Wprowadzenie Podstawowe pojęcia Zderzenie i rozproszenie Przewodnictwo materii Naturalne źródła promieniowania jonizującego Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio Źródła promieniowania jonizującego Pole promieniowania jonizującego Detekcja promieniowania Skutki napromieniowania materii żywej Dozymetria medyczna Ochrona przed promieniowaniem Osłony przed promieniowaniem

3. DETEKCJA PROMIENIOWANIA

4. 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

5. 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

6. 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 promieniowania Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

7. 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

8. 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 emulsji Tadeusz Hilczer, wykład monograf iczny

9. 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

10. 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

11. 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

12. Charakterystyki detektora • Podstawowa charakterystyka detektora • prawdopodobieństwo rejestracji cząstki przez detektor R(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

13. 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

14. 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

15. 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

16. Charakterystyki detektora idealnego • charakterystyki detektora punktowego • wydajność detektora • czułość detektora • czułość detektorazD(E,) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

17. 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 czasie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

18. 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

19. 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 parametru Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

20. 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

21. 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

22. 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

23. Charakterystyki detektora realnego • energetyczna zdolność rozdzielcza • określa szerokość połówkowa funkcji odpowiedzi detektora Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

24. 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

25. Charakterystyki detektora realnego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. Detektor gazowy – charakterystyka prądowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

32. 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

33. Komora jonizacyjna prądowa • Komora jonizacyjna prądowa (całkująca) - komora o dużej stałej czasowej RC • Komora jonizacyjna prądowa służy do pomiaru średniego prądu jonizacyjnego Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

34. Komora jonizacyjna impulsowa • Komora jonizacyjna impulsowa - komora o małej stałej czasowej RC • Komora jonizacyjna impulsowa rejestruje pojedyncze impulsy prądu, wywołane przez cząstki jonizujące Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

35. Komora jonizacyjna – pierścień ochronny • 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) Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

36. Komora jonizacyjna P.Curie • Komora P.Curie • prąd jonizacyjny kompensowany za pomocą piezokwarcu Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

37. Komora jonizacyjna płaska komora jonizacyjna z pierścieniem ochronnym dozymetr indywidualny z komorą jonizacyjną Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

38. Licznik proporcjonalny • licznik proporcjonalny - detektor gazowy pracujący w warunkach wzmocnienia gazowego (obszar V) • Prąd jonizacyjny licznika proporcjonalnego jest proporcjonalny do jonizacji pierwotnej Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

39. Licznik proporcjonalny • elektrony w obszarze IV są pomiędzy kolejnymi zderzeniami przyspieszane do energii znacznie przekraczającą energię jonizacji E gazu wypełniającego detektor Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

40. Licznik proporcjonalny • 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 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

41. Charakterystyka licznika proporcjonalnego Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

42. Licznik proporcjonalny wielodrutowy • 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 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

43. Licznik proporcjonalny wielodrutowy • licznik proporcjonalny wielodrutowy • wypełniony mieszaniną argonu i izobutanu i pracuje przy różnicy potencjałów rzędu 5kV • 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

44. Licznik G-M • licznik G-M - detektor gazowy pracujący w warunkach jonizacji lawinowej (obszar VI) • prąd jonizacyjny nie zależy do jonizacji pierwotnej Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

45. 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

46. Licznik G-M Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

47. Pierwszy licznik G-M Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

48. Komora dryfowa • komora dryfowa- detektor wielodrutowy o specjalnie ukształtowanym polu elektrycznym • 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 D Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

49. 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

50. Komora dryfowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny