Prirodoslovno -matematički fakultet, Sveučilište u matkom/nuas/nuas13.pdf · Matko Milin Prirodoslovno…

  • Published on
    14-Sep-2018

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

<ul><li><p>Matko MilinPrirodoslovno-matematiki </p><p>Nuklearna astrofizika</p><p>Prirodoslovno-matematiki fakultet, </p><p>Sveuilite u Zagrebu </p></li><li><p>8. Eksperimentalne tehnike i </p><p>metode</p></li><li><p>TREBAMO IZMJERITI:</p><p>masa:</p><p>A &lt; 30</p><p>udarni</p><p>presjek:</p><p>pojedinane reakcije i</p><p>svojstva jezgra</p><p>energije pobuenja</p><p>spin-paritet &amp; irina</p><p>nain raspada</p><p>potrebno</p><p>znati:</p><p>A &gt; 30statistika svojstva</p><p>Hauser-Feshbachovi rauni</p><p>mase</p><p>gustoa stanja</p><p>energije odvajanja</p><p> jako puno reakcija bitno </p><p> nemogue ih prouiti sve</p><p> eksperimentalni rezultati poeljni za to vie njih</p></li><li><p>experimental approaches </p><p> DIREKTAN PRISTUP</p><p> reakcije radijativnog uhvata</p><p> reakcije prijenosa</p><p> INDIREKTAN PRISTUP</p><p> rezonanto elastino rasprenje</p><p> reakcije prijenosa</p><p> inverzne reakcije</p><p> kulonska disocijacija</p><p> ...</p></li><li><p>to se mjeri?- svojstva jezgara: </p><p>oblik, magnetski i elektrini momenti, spektar pobuenih stanja, nain raspada</p><p>- svojstva nuklearnih raspada</p><p>Nuklearni eksperimenti- osnovne ideje -</p><p>- svojstva nuklearnih raspada- svojstva nuklearnih reakcija</p></li><li><p>Snop: -estice (He++)</p><p>Rutherfordov eksperiment (1911)</p><p>Izvor: Radij</p><p>Meta: zlatna folijaOlovni</p><p>kolimatorDetektor: zastor </p><p>od cinkovog sulfida</p></li><li><p>- dananja eksperimentalna nukl. fizika skoro iskljuivo vezana za ubrzivae i reaktore- prvi korak: </p><p>Nuklearni snopovi- proizvodnja i voenje -</p><p>- prvi korak: snop estica dovesti do mete</p><p>- vrsta estica u snopu (razne jezgre, elektroni, antiprotoni itd.) i njihova energija biraju se ovisno o fizikalnom svojstvu jezgre koje se prouava</p><p>razliite estice i energije razni ubrzivai i popratna oprema</p></li><li><p>Akceleratoriukupno u funkciji (IAEA, 2004): 17500 (!)</p><p>120 visokoenergijskih (E &gt; 1 GeV)1000 niskoenergijskih (nuklearna fizika + analiza materijala)100 sinkrotrona</p><p>7000 implantatora7000 implantatora7500 primjena u medicini </p></li><li><p>Tipino akceleratosko postrojenje</p><p>Bitni dijelovi:- izvor estica, ubrziva, sistem za voenje i fokusiranje </p><p>snopa, te eksperimentalne linije</p><p>LIIS, IRB, Zagreb</p></li><li><p>Izvori estica- izbor vrste izvora ovisi o ubrzivau i vrsti estica- ioniziranje: sudari izazvani visokim temperaturama ili radiofrekventnimoscilacijama- odvajanje: pomou elektrinih i magnetskih polja</p><p>- neutronski snopovi proizvode se ili pomou reaktora ili neutronskim generatorom (tipino pomou reakcije d+t 4He+n); u oba sluaja se kolimacija vri ili elektroniki ili pomou debelih titova</p></li><li><p>Vrste nuklearnih ubrzivaa</p><p>Linearni akceleratori:- Van de Graaff (jednostruki ili tandem): jedna toka vrlo visokog napona (i do par desetaka MV!)- LINAC: bitno nii promjenljivi </p><p>PRINCIP: nabijene estice ubrzavaju se visokim naponom</p><p>- LINAC: bitno nii promjenljivi napon, ali unutar puno sekcija (bitna dobra sinhronizacija)</p><p>Kruni akceleratori:- ciklotroni: maleni napon ubrzavanja unutar dijela krune putanje- sinhrotroni, betatroni, CERN, ...</p></li><li><p>Van de Graaffovi ubrzivai- vrlo visok napon postie se mehanikim gomilanjem elektrinog naboja - ograniavajui faktor: izboj!- maksimalni naponi: par desetaka MV (dobra izolacija velike dimenzije)- tandem: ubrzava negativne ione, na toki visokog napona skidaju se elektroni i iste jezgre opet ubrzavaju toki visokog napona skidaju se elektroni i iste jezgre opet ubrzavaju </p><p> konana energija: (Z+1)V- na IRB-u dva (6MV tandem i 1MV tandetron) </p></li><li><p>a) lin. ubrz. za Cs-137, f=10MHz, V0=100kV, Ti=1MeV</p><p>Vrste nuklearnih ubrzivaa: LINAC-i</p><p>b) elektrino polje u t=0</p><p>(ubacivanje iona)</p><p>c) elektrino polje u t=1/2f</p><p>(f je RF frekvencija)</p></li><li><p>Vrste nuklearnih ubrzivaa: ciklotroni</p></li><li><p>Velika postrojenja - kombinacija vie ubrzivaa - u principu pojedini dijelovi jednaki malim akceleratorima- vrlo visoke energije ponajvei problem su vrlo velika magnetska polja (LHC!)</p><p>- dva su osnovna pravca razvoja - dva su osnovna pravca razvoja akceleratoskih postrojenja: postizanje to viih energija i ubrzavanje to razliitijih vrsta estica</p><p>- vrlo visoke energije fizika elementarnih estica- raznolikost snopova pioni i drugi mezoni, radioaktivni snopovi</p></li><li><p> upadna energija snopa ponajvie odreuje vrstu dominantnih reakcija</p><p> vjerojatnost odvijanja dane reakcije ponekad se mijenja i za desetak redova veliine vrlo malenim promjenama energije</p><p> npr. za reakciju kojim je naen neutron izmjereno je:</p><p>4He+9Be 12C+n</p><p>Energijska ovisnost nuklearnih reakcija</p><p>He+ Be C+n</p></li><li><p>Tijekom vremena energija dostupna u laboratoriju raste:</p><p> 1919.- prva nuklearna reakcija u laboratoriju (Rutherford)</p><p> 1931.- prvi elektrostatski ubrziva (Van de Graaff)</p><p> 1931.- prvi LINAC (Sloan, Lawrence)</p><p> 1932.- prvi ciklotron (Lawrence, Livingston)</p><p> 1932.- prva nuklearna reakcija izazvana snopom iz ubrzivaa </p><p>Povijest</p><p> 1932.- prva nuklearna reakcija izazvana snopom iz ubrzivaa (Cockcroft,Walton)</p><p> 1941.- prvi betatron (Kerst)</p><p> 1942.- prvi kontrolirani fisijski reaktor (Fermi)</p><p> 1945.- (prva fisijka atomska bomba)</p><p> 1954.- osnovan CERN europski centar za nuklearnu (i estinu) fiziku </p><p> ...</p></li><li><p> snopovima razliitih energija isprobavaju se razliita svojstva jezgara od interesa</p><p> energija snopa nije problem, tehnoloki razvoj se usmjerio na vrstu jezgara koje ubrzavamo (radioaktivni snopovi!)</p><p>Danas </p></li><li><p>Radioaktivni nuklearni snopovi </p><p> RNB radioactive nuclear beams</p><p> RIB radioactive ion beams</p><p> RIB rare isotope beams</p><p> ...</p><p> Isotope Separation on Line (ISOL) (CERN, LLN, ORNL, TRIUMF) Projectile Fragmentation (PF) (Berkeley, GANIL, GSI, MSU, RIKEN) in-flight production (ANL, Notre Dame, TAMU)</p><p> prvi snopovi: PF 80-tih, ISOL 90-tih (ISOLDE i ranije)</p><p> danas: par desetak postrojenja irom svijeta</p></li><li><p>RNB: ISOL vs. PF</p><p> - nema kemijske analize- nema limita na T</p><p> - energije previsoke za N.A.- slaba kvaliteta snopa (energija, dimenzija)</p><p>- mogue neistoe</p><p> - odlina kvaliteta- visoka istoa</p><p>- velik intenzitet</p><p> -ogranien broj izotopa- razliita procedura </p><p>za razliite izotope- ogranienja na T 0.1s</p><p>M.S. Smith and K.E. Rehm, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci, 51 (2001) 91-130</p></li><li><p>Radioaktivni nuklearni snopovi (RNB) </p><p> ili radioaktivni ionski snopovi (engl. radioactive ion beams RIB)</p><p> ili snopovi rijetkih izotopa (engl. rare isotope beams - RIB)</p><p> snopovi jezgara koje se raspadaju u letu (uglavnom -raspad)</p><p> osnovna ideja: </p><p> lake odmicanje od linija stabilnosti</p><p> reakcije s egzotinim ulaznim esticama ...</p></li><li><p>RNB-povijest</p><p> neutronski snopovi: prvi neutronski generator Amaldi, Fermi 37; na IRB-u 50-tih</p><p> pionski snopovi: rane 50-te (Brookhaven Cosmotron, Nevis Columbia, Berkeley, CERN, ...)</p><p> ISOLDE (CERN): od ranih 70-tih proizvodnja radioaktivnih isotopa i njihovo prouavanje </p><p> kasne 80-te: Berkeley prvi eksperimenti s fragmentiranim snopom kasne 80-te: Berkeley prvi eksperimenti s fragmentiranim snopom (Tanihata et al.)</p><p> rane 90-te: Louvain-le-Neuve prvi eksperimenti sa snopom ubrzanih radioaktivnih jezgara</p><p> posljednjih desetak godina: 10-15 aktivnih RNB-postrojenja </p><p> danas: postrojenja druge generacije (npr. RIA @ MSU, FAIR @ Darmstadt)</p></li><li><p>RNB-proizvodnja 1: fragmentacija projektila</p><p> teak snop visoke energije razbija se na debeloj meti</p><p> stvoreni fragmenti imaju prilino usku raspodjelu po brzinama</p><p> prednosti: jednostavnost, snopovi kratkog vremena poluivota</p><p> mane: loa energijska rezolucija, slaba emitancija, maleni intenzitati, nemogunost rada na niskim energijama</p></li><li><p>RNB-proizvodnja 2: ISOL-metoda</p><p> ISOL: od engl. Isotope separation on-line</p><p> radioaktivni izotopi stvoreni uz pomo prvog akceleratora se ubacuju u drugi i ponovno ubrzavaju</p><p> prednosti: kvaliteta snopa skoro kao za stabilne snopove, energija proivoljna</p><p> mane: kompliciranost!, T1/210 ms</p></li><li><p> Louvain-la-Neuve, Belgija i ISOLDE, CERN, vicarska</p><p> prvi upotrebljivi snopovi niskih energija poetkom 90-tih</p><p> na iskustvima sakupljenim u LLN-u, sagraena su postrojenja u GANIL-u, GSI-u i drugdje</p><p>Radioaktivni snopovi: postrojenja </p></li><li><p>Radioaktivni snopovi: znaaj </p></li><li><p>l1 l2</p><p>L</p><p>R</p><p>B</p><p>zz</p><p>x1 x</p><p>2</p><p>x2'</p><p>x1'</p><p>Dipolni magnet</p><p>Voenje i fokusiranje snopa </p><p>( ) ( )pBL</p><p>x</p><p>xR</p><p>x</p><p>x</p><p>x</p><p>xR</p><p>x</p><p>x/03.0</p><p>10</p><p>sin1</p><p>0</p><p>sin</p><p>1</p><p>1</p><p>2</p><p>2</p><p>1</p><p>1</p><p>coscos</p><p>coscos</p><p>2</p><p>2</p><p>=</p><p> +=</p><p>kGm/GeV/c</p><p>-4</p><p>-3</p><p>-2</p><p>-1</p><p>0</p><p>1</p><p>2</p><p>3</p><p>4</p><p>-00004 -00003 -00002 -00001 00000 00001 00002 00003 00004</p><p>NS</p><p>N S</p><p>R</p><p>Kvadrupolni magnet</p><p>xy=RBx=kyBy=kx </p><p>=</p><p>=</p><p>dd</p><p>dd</p><p>M</p><p>dd</p><p>dd</p><p>M</p><p>gDefocu</p><p>gFocu</p><p>coshsinh</p><p>sinhcosh</p><p>cossin</p><p>sincos</p><p>sin</p><p>sin</p><p>)/(</p><p>)/(3)( 22</p><p>cGeVp</p><p>cmkGkm </p></li><li><p>Voenje i fokusiranje snopa </p></li><li><p>Magnetski sektopol</p><p>Voenje i fokusiranje snopa </p><p>Kvadrupolne lee</p><p>GSI - sistem za voenje snopa</p></li><li><p>Mjerenje snopa (integracija snopa)Faradayova aa</p></li><li><p>vrste mete CH2 (plastike!)</p><p>jednostavne troenje vodikadx ~ 50 - 1000 g cm-2 neuniformne</p><p>problemi s taljenjemprimjesa deuterija!</p><p>He-mete</p><p>H-mete</p><p>vrste mete s implantiranim helijem</p><p>Mete</p><p>jednostavne za upotrebu koncentracija helija malena(n ~ 1015 - 1017 atoma cm-2)</p><p>plinske mete s prozorom</p><p>plinske mete bez prozora</p><p>velika koncentracija reakcije na materijalu prozora(ovisnost o tlaku)</p><p>velika koncentracija diferencijalno pumpanjenema pozadinskih dogaaja! velike brzine pumpanje</p><p>nema propadanja mete</p></li><li><p>- izbor vrste detektora (kao i snopova) mora biti prilagoen vrsti </p><p>zraenja (estica) koje se detektira, njihovoj energiji, te informaciji koja </p><p>Detektori za eksperimentalnunuklearnu fiziku</p><p>njihovoj energiji, te informaciji koja se pokuava u eksperimentu izmjeriti- ne postoji univerzalni detektor, </p><p>tj. detektor kojim bi se mogli detektirati sve estice svih energija </p><p>(u FE-u se koriste hibridni detektori)</p></li><li><p>to se detektira?- u principu, direktno se detektira samo elektrini impuls iz </p><p>detektora, no on moe nositi informaciju o:</p><p> samom prisustvu zraenja (npr. Geiger Mllerov broja)</p><p> energiji detektirane estice (proporcionalni detektori)</p><p> trenutku detekcije (brzi detektori)</p><p> tonom mjestu upada estice (detektori osjetljivi na poloaj tonom mjestu upada estice (detektori osjetljivi na poloaj upada)</p><p> vrsti detektirane estice ili zraenja (detektori od posebnog materijala ili kombinacija vie detekora)</p><p> polarizaciji upadnog zraenja (polarimetri)</p><p>- sva ostala fizika izvlai se iz ovih detektiranih veliina</p></li><li><p>Princip rada detektora iako postoje vrlo razliite vrste detektora (za detekciju raznih </p><p>vrsta zraenja), njihov princip radi je uvijek jednak:</p><p>1) estica ulazi u detektor</p><p>2) u interakciji s materijalom detekora, estica gubi dio (ili itavu) svoje energije pri emu se ionizira velik broj atoma materijala</p><p>3) elektroni osloboeni ionizacijom se sakupljaju i pretvaraju u 3) elektroni osloboeni ionizacijom se sakupljaju i pretvaraju u naponski (ili strujni) impuls</p><p>4) stvoreni se impuls obrauje elektroniki i pretvara u signal za sistem za sakupljanje podataka (DAQ od engl. Data AquisitionSystem)</p><p> vrsta zraenja kljuna: -estice (iz -raspada) zaustavljaju se ve u par 10 m krutog materijala, elektroni iz -raspada unutar 1 mm, a -zrake prolaze i do 10 cm</p></li><li><p>Detekcija elektrona, pozitrona i fotona</p><p>Elektroni i pozitroni- zbog male mase prenose energiju </p><p>uglavnom zakonim zraenjem (Bremsstrahlung)</p><p>Fotoni (x-zrake i gama-zrake)- prenose energiju : fotoelektrinim efektom Comptonovim rasprenjem proizvodnjom parova</p><p> Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene estice</p><p> Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego intenzitet</p></li><li><p>Detekcija tekih iona (golih jezgri)- iako je kulonsko rasprenje iona na jezgri najvaniji proces na </p><p>nuklearnom nivou, ono je praktiki zanemarivo za procese koji se odigravaju u detektoru</p><p>- atom je 1015 puta vei od jezgre i otprilike je toliko puta vea vjerojatnost da se upadni ion sudari s elektronom iz atomskog omotaa</p><p>- dominantan nain interakcije tekih iona s materijalom u detektoru je kulonsko rasprenje na elektronima u omotau</p><p>- na tome se temelji i princip detekcije tekih iona: ili se materijal je kulonsko rasprenje na elektronima u omotau</p><p>- na tome se temelji i princip detekcije tekih iona: ili se materijal detektora ionizira ili se stvaraju parovi elektron-upljina u poluvodiima</p><p>- u oba se sluaja elektrinim poljem razdvaja i sakuplja stvoreni naboj</p><p>- bitno razliit (a est) nain detekcije tekih iona: magnetski spektrometar (polumjer krunog gibanja estice u magnetskom polju ovisi o njenom naboju, masi i energiji)</p></li><li><p>Detekcija neutronaNeutroni meudjeluju s materijom jakom interakcijom (fm!): elastinim rasprenjem neelastinim rasprenjem (pobuenjem jezgre) uhvatom neutrona (na niskim energijama ~MeV) drugim nuklearnim reakcijama kao to su (n,p), (n,d) induciranjem fisije (n,f) proizvodnjom hadronskog pljuska (na energijama &gt; 100 MeV) ... ...</p></li><li><p>Vrste detektora</p><p>1) plinski (Geiger Mllerov broja, proporcionalni, itd.)</p><p>2) scintilacijski</p><p>3) poluvodiki (silicijski, germanijski, ...)</p><p>4) magnetski spektrometri</p><p>5) vieiane komore</p><p>6) polarimetri</p><p>7) erenkovljevi (FE!)</p><p>8) kalorimetri (FE!)</p><p>9) ...</p><p>10) hibridni detektori (FE!)</p></li><li><p>Plinski detektori- najee cilindrinog oblika; metalna katoda je plat cilindra, a du </p><p>njene osi postavljena je anoda od tanke metalne ice- najei plin: argon (GM-brojai imaju i udio organskih para)- u neposrednoj blizini anode jako elektrino polje- upadna estica ionizira plin, nastali ioni i elektroni pod utjecajem </p><p>elektrinog polja sakupljaju se na katodama</p><p>anodaanoda</p><p>katoda Rsignal s</p><p>anode</p><p>~ 1000 V</p><p>jako tanka </p><p>anoda du osi</p></li><li><p>Plinski detektoriNapon izmeu anode i katode </p><p>definira nain rada:</p><p>- podruje II: ~100 do 250 V,sakuplja se samo naboj stvorenpoetnom ionizacijom (malen signal!)</p><p>- podruje III: ~500 do 750 V,- podruje III: ~500 do 750 V,sekundana ionizacija,10</p></li><li><p>ScintilatoriPrincip rada: - upadajua estica pobuuje </p><p>molekule kristala koje pri deekscitaciji dio energije oslabaaju kroz vidljivu svjetlost</p><p>- svjetlost se iri kroz kristal do njegovog ruba na kojem se nalazi fotomultiplikatorfotomultiplikator</p><p>reflektor</p><p>kristal</p><p>optika cijev</p><p>fotokatoda dinode</p><p>anoda</p><p>pojaalozraenje</p></li><li><p>Poluvodiki detektoriAnalogni plinskim ionizacijskim detektorima:- estica u prolazu kroz podruje osiromaenja stvara parove</p><p>elektron-upljina- umjesto plina medij je poluvodiki (vrsti) materijal</p><p> reverzni napon: negativanpotencijal na p-strani, a pozitivanna n-strani</p><p>p-n spojreverzni napon</p><p>na n-strani vei napon = vee podruje osiromaenja i bolje sakupljanjenaboja previsok napon poluvodi postaje vodi</p><p>- ++ uplj.</p><p>p- tip</p><p>podruje</p><p>osiromaenja</p><p>- elektr.</p><p>n - tip</p></li><li><p>Poluvodiki vs. plinski detektori Prednosti poluvodikih detektora:- E (elektron upljina) &lt; E (elektron - ion) bolja energijska</p><p>rezolucija- bolja mo zaustavljanja od plinskih detektora (vea gustoa) - male dimenzije (</p></li><li><p>Hibridni detektoriEksperimenti u FE Istovremena detekcija svih esticaRedoslijed detekcije estica ilustriran je na slici:</p></li><li><p>Mirno gorenje</p><p> stabilne jezgre vrem. skala ~ 109 y E0 ~ nekoliko keV-a</p><p> 10-18 barn &lt; &lt; 10-9 barn</p><p>Eksplozivno gorenje</p><p> nestabilne jezgre vrem. skala ~ 10-3 102 s E0 ~ MeV</p><p>svojstva</p><p> nepoznata nukl. svojstva</p><p>Evolucija zvijezda</p><p> 10-18 barn &lt; &lt; 10-9 barn ekstrapolacija um</p><p> duga mjerenja iste mete visoki intenziteti snopova podzemni laboratoriji</p><p>problemi</p><p> nepoznata nukl. svojstva maleni intenziteti snopova um vezan za snopove</p><p>zahtjevi radioaktivni snopovi veliki detektori visoka efikasnost detekcije</p></li><li><p>Primjer 1: eksperiment sa</p><p>stabilnim snopomstabilnim snopom</p></li><li><p>Contributions from sub-threshold states</p><p>Example: the 12C(,)16O reaction</p><p>at Gamow peak (E ~ 300 keV)</p><p>estimated cross section ~ 10-17 barn !</p><p>prohibitively small to be measured directly</p><p>Complications:</p><p>1- </p><p>2+ </p><p>4+ </p><p>9580 </p><p>9847 </p><p>10367 </p><p>experiments </p><p>Ecm (keV) Ex (keV) J</p><p>important for evolution of 20-25 M stars</p><p>rate needed to 10% !</p><p>-ray spectroscopy</p><p> low efficiency cosmic background</p><p> two subthreshold states d...</p></li></ul>

Recommended

View more >