Transcript 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
Fotondetektorok
Félvezető detektorok
A mikrovilág fizikája
kb. 1900•
•
•
•
•
Kvantáltság (pl. ħν energiakvantum ), kvantumszámok
Kizárási elv (fermionokra)
Részecske-hullám dualitás
Tartózkodási valószínűség: |Ψ|2
Határozatlansági reláció
Δx Δp  ħ (puskagolyó ≈ 10 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.
-33
Az energiamegmaradás tétele
Az atomok felépítése
Rutherford 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.
Az atomok felépítése
Chadwick 1932
Az atomok felépítése
• Alkotórészek:
e- elektron (1897, Thompson)
p+ proton (1919, Rutherford)
n neutron (1932, Chadwick)
méret
tömeg
<10 -16 cm
511.00 keV/c2
10 -13 cm
938.26 MeV/c2
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 !
Milyen kölcsönhatások (erők) működnek az
atomban (és az egész világegyetemben) ?
erősség
iránya
hatótávolság időállandó távolságfüggés
Gravitációs
1 (szempilla) vonzó
Gyenge (magerő) 1026 (25 km Pb) taszító
Elektromágneses 1036 (bolygók)
Erős (magerő)
1039 (Nap)
e− , e+
p+
n
ν
γ
v/t
V/t
:
:
:
:
:
∞
?
10-16 cm 10-10-103 s
∞
~ 10-13 cm
≥10-20 s
≥10-23 s
G, EM
G, Gy, EM, E
G, Gy, EM,E
G, Gy
G, EM
1/r2
??
1/r2
e-αr /r2
Az atommag felépítése, főbb bomlásmódjai
Taszító elektromágneses
(Coulomb) erő a protonok
között
Vonzó magerő:
p-n és p-p
(igen közelről
mindkettő taszító!)
Miért létezik atommag ?
Energiamérleg megközelítés
Ha energetikailag kedvező (létrejöttével a rendszer
összenergiája csökken) és kvantum-kiválasztási
szabályok sem tiltják, akkor adott kötött nukleonkombináció megvalósulhat
= mC-12 / 12
Tömeghiány = kötési energia = 0.03035 u = 28.3 MeV = 4 x 7.07 MeV
Elektronhéj – atommag összehasonlítása
Atom és atommag energetikai viszonyai
(potenciálgödör)
Milyen alakúak az atommagok ?
Milyen a maganyag eloszlása ?
alapállapot
P+
N
gerjesztett állapot
Neutron-halo, -glória
Mennyire üresek az atomok ?
Arany
atom
Legkülső
elektron
Legkülső
bolygó
Naprendszer
ρmag = 200 Mt/cm3
ρnukleon = 700 Mt/cm3
Az atommagok azonosítása
X vegyjel
Atom
tömege
Z
rendszám (protonok)
N
neutronok száma
A =Z+N tömegszám
Rendszám
protonok
száma
Neutronok
száma
= „szén-14”
egyértelmű
14C
Izotóp és izobár magok
iso = azonos
topos = hely
bar = súly
Az atommagok kötési energiái
Atommag-hasadás és fúzió
Példák
A hasadás lehet spontán folyamat is a fúzió soha !!
Radioaktivitás, radioaktív bomlás
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
Protonok száma
Milyen P-N kombinációk fordulnak elő ?
izotópok
Neutronok száma
Milyen bomlási (átalakulási) módok
léteznek?
α – bomlás
(erős kölcsönhatás)
α = He++
E+EM kölcsönhatás
Z0 → Z0-2
A0 → A0-4
diszkrét energiák
Főleg Z ≥ 82 magokra
vα ≈ 0.1 c
Magyarázat (magerő !)?
Energetikailag OK, de miért
ennyire eltérőek a felezési idők ??
Az α-részecske alagúteffektusa a mag
Coulomb-potenciál gátján
Gamow 1928
Makroszkopikus alagúteffektus:
M=25 g H=20 cm d=1 mm
T=10115 év !
Az alagutazási idő rendkívül erősen függ az alagút hosszától és a gát magasságától.
Ezért változik a felezési idő annyira az emittált alfa részek energiájától !
β-- és β+(pozitron)- bomlás, (héj)elektronbefogás
(gyenge kölcsönhatás)
-
-
β =e
Z0 → Z0+1
A0 → A0
folytonos energiák
β+ = e+
Z0 → Z0 -1
A0 → A0
folytonos energiák
Vβ ≈ 0.9 c
A β-stabilitás völgye (izotóp keresztmetszet)
Proton többlet
Neutron többlet
Magtömeg m
A β-stabilitás völgye (izobár keresztmetszet)
Izobár keresztmetszet
β- bomlás részletesebb magyarázat
A pozitron ( e+ )
Dirac („tenger”) 1928
a pozitron, mint egy negatív energiájú elektron
hiánya a Dirac tengerben
Anderson 1932
nagyenergiájú kozmikus részecskék által
keltett nyomok ködkamrában
Spontán hasadás
Egyéb (ritka) radioaktív bomlások
A mag kibocsáthat protont, neutront,
valamint nehezebb magcsomókat is, pl.
C, O, Ne, Mg, Si atommagokat is !!
Komplex bomlási sorok (példa)
Radioaktív γ-sugárzás (nem magbomlás!)
Magbomlások után gerjesztett állapotba
került atommagok legerjesztési folyamatában
kibocsátott diszkrét energiájú (0.01-10 MeV)
EM fotonok.
vγ=c
Radioaktív-sugárzás kölcsönhatása az
anyaggal
papírlap
Töltött részecskék
fémlemez
ólomtégla
Gamma sugárzás
Radioaktív-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
γ-sugárzás
az energia állandó
az intenzitás egyre csökken
(elnyelődés miatt)
töltött részecskék
az intenzitás állandó
az energia egyre csökken
(lassulás miatt)
γ-sugárzás (EM) kölcsönhatása az anyaggal
Fotoeffektus: elnyelődés
Compton effektus: szórás
Párkeltés: elnyelődés
Intenzitáscsökkenés:
I(x) = exp(- μ x)
μ = μF + μC + μP
γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
Fotoeffektus
fotoelektron
Párkeltés
pozitron
Bejövő foton
Bejövő foton
Kötött elektronon
μF ~Z5/E3.5
E ≥ 1.02 MeV
μP ~Z2 ln(E)
elnyelődés
szóródás
Compton
Rayleigh sz. Szóródott foton
szórás
Koherens sz.
elektron
Meglökött elektron
Bejövő foton
Bejövő foton
μT ~Z2/E2
Kvázi szabad elektronon
μC ~Z/E
Szórt
foton
Compton effektus
γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
Töltött részecskék (EM) kölcsönhatása az
anyaggal
Mélységi kép
(oldalnézet)
energialeadás
Előlnézet
5 MeV α
sziliciumban
szimuláció
hatótávolság
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
Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal
Az anyagon való áthaladás során egy töltött részecske kölcsönhathat
•
•
Az atomi elektronokkal ( általában ez a meghatározó)
Az atommagokkal
Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal
A töltött részecskéknek az atomi elektronokkal történő
kölcsönhatása tisztán elektrosztatikus (Coulomb) jellegű
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
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.
dE/dx fajlagos energiaveszteség
Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal
~ 1/v2
Töltött részecske impulzusa
Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal
Al
Al
Au
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.
Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az
anyaggal
A bombázó elektronok mozgási energiájának és a fékező anyag minőségének
hatása a behatoló elektronok pályájára
Töltött részecskék kölcsönhatása az
anyaggal
Fékezési sugárzás
μFS ~ E Z2 (z/m)2
Főleg könnyű részecskékre (elektron) jellemző
Cserenkov sugárzás
v > c/n
a szuperszonikus repülők hangrobbanásával analóg
Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az
anyaggal
Az ionizáció és a fékezési sugárzás részesedése elektronok és pozitronok
fékezésében
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