Transcript Techniki koincydencji jako metoda selekcji istotnych danych w

Techniki koincydencyjne jako
metoda selekcji istotnych
danych w eksperymentach
fizyki jądrowej
Czyli…
…co ma wspólnego Sherlock Holmes z
fizyka jądrową
Autor: Tomasz Marchlewski
Opiekun: dr Ernest Grodner
Plan seminarium
1. Do czego przydają się koincydencje?
2. Techniczny opis zbierania koincydencji γ – γ
3. Wykorzystanie koincydencji
4. Wydajność układu pomiarowego
5. Niedalekie perspektywy w Warszawie
Do czego przydają się koincydencje?
Zacznijmy od przykładu:
Schemat
jądrowych
stanów
wzbudzonych
w jądrze
128Cs
Dzięki technikom koincydencyjnym jesteśmy w stanie poznać
schemat jądrowych stanów wzbudzonych!
Nawet tak skomplikowanych…
O wzbudzeniach jądrowych słów kilka
• Czas w jakim jądro
przechodzi do niższego
stanu jest rzędu
pikosekund
• Nie wiemy do jakiego
poziomu wzbudzi się
jądro
• Nie wiemy też jaką
ścieżką przebiegnie
deekscytacja
Konsekwencje
• Czas w jakim jądro przechodzi do niższego stanu jest
rzędu pikosekund
– Aparatura pomiarowa ma rozdzielczość czasową na
poziomie nanosekund, zatem z jej punktu widzenia proces
deekscytacji zachodzi w jednej chwili
• Nie wiemy do jakiego poziomu wzbudzi się jądro. Nie
wiemy też jaką ścieżką przebiegnie deekscytacja
– Jeśli wykonamy pomiar przy pomocy układu niezależnych
detektorów germanowych otrzymamy jedynie widmo
energetyczne, z którego nie będziemy w stanie
wywnioskować nic o schemacie poziomów wzbudzonych.
Przykładowe energie
Dostajemy informację o tym jakie są energie kwantów γ emitowanych podczas
przechodzenia do niższych stanów.
Nie jesteśmy w stanie odtworzyć schematu poziomów wzbudzonych na
podstawie jednowymiarowego histogramu.
A gdyby wykorzystać koincydencje?
Konieczne jest użycie układu wielu współpracujących ze
sobą detektorów
Techniczny opis zbierania koincydencji γ – γ
Zapisujemy na dysku
jedynie te zdarzenia w
wyniku których
zarejestrowaliśmy co
najmniej dwa kwanty γ
w dwóch różnych
detektorach.
Co nam to daje?
Różne możliwe ścieżki deekscytacji
Gdyby jądro przeszło do stanu
podstawowego nasz układ detekcyjny
będzie w stanie zarejestrować kwanty
o energii E3, E4, E5, E6, E8.
Z powodu ograniczonej wydajności
układu najczęściej będziemy
rejestrowali tylko jeden kwant
promieniowania wytworzony w takiej
kaskadzie. Zdarzenie tego typu nie
zostanie zapisane. Interesują nas
jedynie pary (dublety) lub trójki
(tryplety) kwantów γ pochodzących z
tego samego zdarzenia.
Tylko takie zdarzenia są zapisywane.
Schematyczna macierz koincydencji
Takich punktów nie zaobserwujemy, ponieważ nie
zarejestrujemy dwukrotnie w czasie jednego
zdarzenia tego samego kwantu
Pamiętajmy, że istnieją różne pasma
Schematyczna macierz koincydencji
Oto co otrzymujemy po serii pomiarów
Jest to
dwuwymiarowy
histogram
zawierająca
widmo
koincydencyjne.
Możemy
zauważyć, że
posiada ona oś
symetrii.
166Er
Zauważalna jest niewielka niedokładność w odwzorowaniu
Bramkowanie
Ustawiamy bramkę koincydencyjną na
energii wybranego kwantu γ.
Rzutujemy w ten sposób na widmo
energie wszystkich kwantów
powiązanych z kwantem na którym
ustawiliśmy bramkę.
Wycinamy i rzutujemy 
Co dało nam bramkowanie?
Bramka koincydencyjna ustawiona na E7
Przez bramkowanie wybraliśmy konkretną ścieżkę rozpadu
Ustawmy bramkę na innym przejściu
Dedukcja kluczem do sukcesu
Proces bramkowania powtarzamy dla wszystkich zarejestrowanych
kwantów pochodzących od interesującego nas jadra, w ten sposób
jesteśmy w stanie ustalić w jaki sposób są ze sobą powiązane.
Jeśli wiemy w jaki sposób są ze sobą powiązane, znamy schemat
stanów wzbudzonych danego jadra.
Jak odsiać ziarna od plew?
Na przykładzie niedawno przeprowadzonego eksperymentu:
114Cd(14N,4n)124Cs
114Cd(14N,5n)123Cs
114Cd(14N,3n)125Cs
114Cd(14N,p3n)124Xe
Triumf koincydencji nad
rozwiązaniami siłowymi
Inne zastosowanie koincydencji:
pomiar korelacji kątowych γγ
W pomiarach tego typu
interesuje nas
prawdopodobieństwo,
tego że kąt pomiędzy
kwantami γ
wyemitowanymi w tym
samym zdarzeniu będzie
wynosił θ. W tym celu
niezbędny jest układ
wielu detektorów
wykorzystujący
koincydencje.
Co dają nam korelacje kątowe?
Prawdopodobieństwo w
funkcji kąta θ zależy od
rodzaju przejścia
pomiędzy stanami.
Znając rodzaj przejścia
mamy informację o tym
jak zmienił się spin i
parzystość.
Konsekwencje wykorzystanie koincydencji:
wydajność układu pomiarowego
Załóżmy, że posiadamy układ identycznych detektorów. Każdy z
nich ma taka sama sprawność i zbiera informacje z takiego samego
kąta bryłowego.
Iloczyn efektywności i kata bryłowego z jakiego detektor jest w
stanie zbierać informacje nazwijmy Ω, zazwyczaj jest on rzędu 10-3.
Kolejną wielkością, która pojawia się w tego typu zagadnieniach
jest intensywność emitowanego promieniowania γ wyrażona w
liczbie wyemitowanych kwantów na jednostkę czasu. Intensywność
oznaczymy jako I.
Gdy chcemy zbierasz pojedyncze zdarzenia (singlety) przy pomocy
jednego detektora wydajność W liczona w liczbie zliczeń na
sekundę będzie wyrażona wzorem: W = IΩ
Konsekwencje wykorzystanie koincydencji:
wydajność układu pomiarowego
Jeśli zastosujemy n niezależnych od siebie detektorów to
sprawność naszego układu wzrośnie n-krotnie: W = nIΩ
Gdy chcemy rejestrować pary kwantów γ w
dwóch różnych detektorach musimy nieco
zmodyfikować powyższe wyrażenie:
W = n(n-1)(IΩ)2
Przykłady:
n = 10
W = 90(IΩ)2;
n = 12
W = 132(IΩ)2  wzrost wydajności o niemal 40%
po dołożeniu zaledwie 2 detektorów.
Konsekwencje wykorzystanie koincydencji:
wydajność układu pomiarowego
Analogicznie wydajność rejestrowania trypletów będzie wyrażona
wzorem: W = n(n-1)(n-2) (IΩ)3. Rejestrujemy takie zdarzenia
niezwykle rzadko, ponieważ czynnik Ω3 staje się dominujący i nie
jesteśmy w stanie nadrobić tej straty przez powiększanie układu o
kolejne detektory.
Ciekawostka: dzielenie dużego detektora na pół.
Zastanówmy się jak zmieniona zostanie wydajność układu
koincydencyjnego rejestrującego dublety, jeśli dwa duże detektory
zastąpimy czterema mniejszymi. Każdy z tych detektorów może
zbierać informacje z kata bryłowego o połowę mniejszego niż duży
detektor.
Zobaczmy jak wypłynie to na wydajność
Konsekwencje wykorzystanie koincydencji:
wydajność układu pomiarowego
Dwa duże detektory:
W = 1*2(IΩ)2 = 2(IΩ)2
Cztery mniejsze detektory:
W = 1/4*4(4-1)(IΩ)2 = 3(IΩ)2
Wykorzystując większą liczbę detektorów o mniejszej powierzchni
jesteśmy w podnieść wydajność układu pomiarowego. Technicznie
nie jest możliwe ,,przecięcie” detektora na dwa mniejsze. Ma to
znaczenie, gdy rozważamy jakie detektory kupić.
Warto mieć wiele detektorów!
Podsumowanie
• Techniki koincydencyjne odgrywają dużą rolę w
badaniach strukturalnych jąder atomowych.
• Do przeprowadzenia precyzyjnego eksperymentu
potrzebny jest układ wielu detektorów o jak największej
możliwej do osiągnięcia wydajności i dokładności.
W Warszawskim Cyklotronie istnieje wspominany
wcześniej układ EAGLE
składający się obecnie z
12 detektorów germanowych
Podsumowanie
Wiele danych wykorzystanych podczas tego seminarium
pochodzi z eksperymentów wykonanych właśnie przy
pomocy układu EAGLE. Niektóre pochodzą z
eksperymentu zakończonego zaledwie 1,5 tygodnia temu.
Wkrótce układ ma być rozbudowany do 20 detektorów o
wydajności 3-krotnie
większej niż obecnie.
Jesienią planowany
jest duży eksperyment,
w którym nowe detektory
będą miały okazję się
wykazać.
Dziękuję za uwagę