Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Θερμιδομετρία & Θερμιδόμετρα Αναστάσιος Ηλιόπουλος 11/04/2006 Επιβλέπων: Γ. Τσιπολίτης.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Θερμιδομετρία & Θερμιδόμετρα Αναστάσιος Ηλιόπουλος 11/04/2006 Επιβλέπων: Γ. Τσιπολίτης."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Θερμιδομετρία & Θερμιδόμετρα Αναστάσιος Ηλιόπουλος 11/04/2006 Επιβλέπων: Γ. Τσιπολίτης

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή Εισαγωγή Ορισμοί Θερμιδομετρίας – Θερμιδομέτρου Ορισμοί Θερμιδομετρίας – Θερμιδομέτρου Κατηγορίες Κατηγορίες Θερμιδομετρία στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Θερμιδομετρία στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Κύρια χαρακτηριστικά Κύρια χαρακτηριστικά Ηλεκτρομαγνητικοί Καταιγισμοί Ηλεκτρομαγνητικοί Καταιγισμοί Αδρονικοί Καταιγισμοί Αδρονικοί Καταιγισμοί Είδη Θερμιδομέτρων Είδη Θερμιδομέτρων Θερμιδόμετρα ομογενούς τύπου Θερμιδόμετρα ομογενούς τύπου Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα Πρότυπα αναγνώρισης σωματιδίων Πρότυπα αναγνώρισης σωματιδίων Το θερμιδόμετρο του ATLAS Το θερμιδόμετρο του ATLAS Θερμιδόμετρα σε άλλους κλάδους της επιστήμης Θερμιδόμετρα σε άλλους κλάδους της επιστήμης Θερμιδόμετρα στη Χημεία Θερμιδόμετρα στη Χημεία Θερμιδόμετρο ισόθερμης τιτλοδότησης Θερμιδόμετρο ισόθερμης τιτλοδότησης Μικροθερμιδόμετρο ακτίνων – Χ Μικροθερμιδόμετρο ακτίνων – Χ

3 Εισαγωγή Θερμιδομετρία: Μέτρηση ενέργειας ή θερμότητας Θερμιδομετρία: Μέτρηση ενέργειας ή θερμότητας Εφαρμογές σε: Εφαρμογές σε: Φυσική Υψηλών Ενεργειών Φυσική Υψηλών Ενεργειών Χημεία & Βιολογία Χημεία & Βιολογία Όργανα μέτρησης: Θερμιδόμετρα (calorimeters) Όργανα μέτρησης: Θερμιδόμετρα (calorimeters) Ετυμολογία: calor = θερμότητα Ετυμολογία: calor = θερμότητα 4%

4 Θερμιδόμετρα στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Κύρια Χαρακτηριστικά: Κύρια Χαρακτηριστικά: Δημιουργία καταιγισμών (showers) δευτερογενών σωματιδίων Δημιουργία καταιγισμών (showers) δευτερογενών σωματιδίων Το πλήθος των δευτερογενών σωματιδίων ανάλογο της ενέργειας του αρχικού σωματιδίου Το πλήθος των δευτερογενών σωματιδίων ανάλογο της ενέργειας του αρχικού σωματιδίου Διακριτική ικανότητα ανάλογη της ενέργειας αρχικού σωματίου Διακριτική ικανότητα ανάλογη της ενέργειας αρχικού σωματίου Δυνατότητα ανίχνευσης φορτισμένων & αφόρτιστων σωματιδίων Δυνατότητα ανίχνευσης φορτισμένων & αφόρτιστων σωματιδίων 8%

5 Τα θερμιδόμετρα είναι οι μόνοι ανιχνευτές που μπορούν να μετρήσουν την ενέργεια πιδάκων (jets) Τα θερμιδόμετρα είναι οι μόνοι ανιχνευτές που μπορούν να μετρήσουν την ενέργεια πιδάκων (jets) Μπορούν να πληροφορήσουν για απώλεια ενέργειας σε μια αλληλεπίδραση Μπορούν να πληροφορήσουν για απώλεια ενέργειας σε μια αλληλεπίδραση Επομένως καθιστούν δυνατή τη διαπίστωση παρουσίας η μη νετρίνων Επομένως καθιστούν δυνατή τη διαπίστωση παρουσίας η μη νετρίνων 12%

6 Ηλεκτρομαγνητικοί Καταιγισμοί (em showers) Υψηλής ενέργειας e – ή γ προσπίπτει σε υλικό απορροφητή (absorber) και δημιουργεί ηλεκτρομαγνητικό καταιγισμό Υψηλής ενέργειας e – ή γ προσπίπτει σε υλικό απορροφητή (absorber) και δημιουργεί ηλεκτρομαγνητικό καταιγισμό 16%

7 Μηχανισμοί απώλειας ενέργειας Ενέργειες < 100MeV Ενέργειες < 100MeV Ηλεκτρόνια → Ιονισμός ή διέγερση Ηλεκτρόνια → Ιονισμός ή διέγερση Φωτόνια → Ιονισμός ή διέγερση Φωτόνια → Ιονισμός ή διέγερση Ενέργειες > 100MeV Ενέργειες > 100MeV Ηλεκτρόνια → Bremsstrahlung Ηλεκτρόνια → Bremsstrahlung (ακτινοβολία πέδησης) (ακτινοβολία πέδησης) Φωτόνια → Δίδυμη γένεση Φωτόνια → Δίδυμη γένεση (ζεύγος e – e + ) (ζεύγος e – e + ) 20%

8 Μοντέλα περιγραφής ανάπτυξης καταιγισμών (θυσάνων) γ e-e- e+e+ e-e- γ γ γ΄ e-e- Είσοδος φωτονίουΔίδυμη γένεση Ιονισμοί από το e - Ιονισμοί από το e + ή εξαΰλωση σε 2γ Σκέδαση Compton Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο 24%

9 Χαρακτηριστικά μεγέθη μελέτης καταιγισμών Μήκος Ακτινοβολίας Χ 0 (Radiation Length) Μήκος Ακτινοβολίας Χ 0 (Radiation Length) Απώλεια 2/3 ενέργειας e – Απώλεια 2/3 ενέργειας e – Πιθανότητα δίδυμης γένεσης: 7/9 (generation length) Πιθανότητα δίδυμης γένεσης: 7/9 (generation length) Ακτίνα Moliere Ακτίνα Moliere Απώλειες ενέργειας λόγω ιονισμών = Απώλειες ενέργειας λόγω ακτινοβολίας 28%

10 e-e- e-e- γ e-e- γ e-e- e+e+ Μετά από t γενιές σωματιδίων:, 32%

11 Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι την τιμή: Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι την τιμή: Αποκορύφωμα καταιγισμού Αποκορύφωμα καταιγισμού Σταδιακή κυριαρχία απώλειας ενέργειας λόγω ιονισμών Σταδιακή κυριαρχία απώλειας ενέργειας λόγω ιονισμών Τελικά όλη η ενέργεια του σωματιδίου εμφανίζεται ως ιονισμοί στο υλικό Τελικά όλη η ενέργεια του σωματιδίου εμφανίζεται ως ιονισμοί στο υλικό – Μέγιστο σε βάθος που αυξάνει λογαριθμικά με την Ε 0 – Πλήθος σωματιδίων στο μέγιστο ανάλογο της Ε 0 – Ολικό μήκος διαδρομής ανάλογο της Ε 0 36%

12 Διαμήκης εκδήλωση καταιγισμού Διαμήκης εκδήλωση καταιγισμού Άνοδος – Περιοχή μέγιστης τιμής – Βαθμιαία πτώση Ο μέγιστος ρυθμός απώλειας ενέργειας εμφανίζεται βαθύτερα στο υλικό με την αύξηση του Ζ Λόγω σκεδάσεων Coulomb ο καταιγισμός παρουσιάζει και εγκάρσια διασπορά της τάξης μιας ακτίνας Moliere Τελικώς ο καταιγισμός αναπτύσσεται πλήρως και σταματάει σε βάθος περίπου 25Χ 0  14cm Pb, 44cm Fe, 220cm Al 40%

13 Αδρονικοί Καταιγισμοί Ανελαστική σκέδαση αδρονίου με πυρήνα προκαλεί παραγωγή δευτερογενών αδρονίων Ανελαστική σκέδαση αδρονίου με πυρήνα προκαλεί παραγωγή δευτερογενών αδρονίων Συνήθως μεσόνια Συνήθως μεσόνια Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης Ανελαστική σκέδαση με πυρήνες Ανελαστική σκέδαση με πυρήνες Διέγερση πυρήνων Διέγερση πυρήνων Ιονισμοί των ατόμων του υλικού Ιονισμοί των ατόμων του υλικού Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι την τιμή Ε th που είναι η ελάχιστη τιμή ενέργειας που χρειάζεται για τη δημιουργία ενός μεσονίου Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι την τιμή Ε th που είναι η ελάχιστη τιμή ενέργειας που χρειάζεται για τη δημιουργία ενός μεσονίου 44%

14 Μέτρο έκτασης του αδρονικού καταιγισμού το πυρηνικό μήκος απορρόφησης (nuclear interaction length) Μέτρο έκτασης του αδρονικού καταιγισμού το πυρηνικό μήκος απορρόφησης (nuclear interaction length) Στο διπλανό σχήμα: Διαμήκης και εγκαρσια ανάπτυξη αδρονικού καταιγισμού Ανάπτυξη καταιγισμού από π – μεσόνιο ενέργειας 300GeV που εισέρχεται σε ουράνιο Πολλές οι ομοιότητες με την ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητικού καταιγισμού Το 95% του αδρονικού καταιγισμού για να αναπτυχθεί απαιτούνται ~80cm βάθος υλικού Αν επρόκειτο για e – ίδιας ενέργειας θα απαιτούνταν μόλις 10cm 48%48%

15 Για την πλήρη ανάπτυξη (~99%) ενός αδρονικού καταιγισμού απαιτούνται από 6λ int μέχρι 9λ int, ανάλογα με την ενέργεια του εισερχομένου σωματιδίου Για την πλήρη ανάπτυξη (~99%) ενός αδρονικού καταιγισμού απαιτούνται από 6λ int μέχρι 9λ int, ανάλογα με την ενέργεια του εισερχομένου σωματιδίου 52%

16 ΗλεκτρομαγνητικοίκαταιγισμοίΑδρονικοίκαταιγισμοί Όλη η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου εμφανίζεται τελικά ως ιονισμοί στο υλικό Το 70% της ενέργειας του αρχικού αδρονίου γίνεται ιονισμοί. Ένα 30% χάνεται σε διαδικασίες που δεν δίνουν παρατηρήσιμο σήμα (αποσύνθεση πυρήνων, πυρηνικές διεγέρσεις κλπ.) Λύση: χρήση 238 U Τυπική Διακριτική ικανότητα Χρησιμοποιούνται υλικά μεγάλου Z (δηλαδή μικρού Χ 0 ) ώστε ο καταιγισμός να αναπτύσσεται σε μικρότερο όγκο Απαιτείται μεγαλύτερος όγκος υλικού για την ανάπτυξη του καταιγισμού vs 56%

17 Είδη Θερμιδομέτρων Θερμιδόμετρα ομογενούς τύπου (homogeneous type) Θερμιδόμετρα ομογενούς τύπου (homogeneous type) Θερμιδόμετρα Ημιαγωγών (Semiconductor calorimeters) Θερμιδόμετρα Ημιαγωγών (Semiconductor calorimeters) Κρύσταλλοι Ge(Li) ή Si(Li) Κρύσταλλοι Ge(Li) ή Si(Li) Εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου Εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου Θερμιδόμετρα Cherenkov (Cherenkov calorimeters) Θερμιδόμετρα Cherenkov (Cherenkov calorimeters) 55% PbO & 45% SiO 2 55% PbO & 45% SiO 2 Ανίχνευση σχετικιστικών e – & e + Ανίχνευση σχετικιστικών e – & e + Μειωμένη ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία Μειωμένη ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία Σπινθηριστές (Scintillation counters) Σπινθηριστές (Scintillation counters) Κρύσταλλοι BGO, NaI(Tl), CsI(TI) Κρύσταλλοι BGO, NaI(Tl), CsI(TI) Θερμιδόμετρα ευγενών αερίων σε υγρή κατάσταση (Noble liquid calorimeters) Θερμιδόμετρα ευγενών αερίων σε υγρή κατάσταση (Noble liquid calorimeters) Συνήθως Ar, Kr, Xe Συνήθως Ar, Kr, Xe Ιονισμοί & σπινθηρισμοί Ιονισμοί & σπινθηρισμοί 60%

18 Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα (Sampling Calorimeters) Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα (Sampling Calorimeters) Πλαστικοί Σπινθηριστές Εναλλασσόμενες στρώσεις πλαστικού & μολύβδου Μετατόπιση λ – Φωτοπολλαπλασιαστής Πλεονεκτήματα: Χαμηλό κόστος κατασκευής Μικρός χρόνος απόκρισης Μειονεκτήματα Μειωμένη ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία Ανομοιομορφία σήματος Προσπάθεια χρησιμοποίησης πλαστικών ινών 64%

19 Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα (Sampling Calorimeters) Υγρών στρωμάτων (LAr) Ευγενές αέριο σε υγρή κατάσταση Ανθεκτικότητα σε ακτινοβολία Πιο αργή απόκριση Αντιμετώπιση με διάταξη «ακκορντεόν» 68%

20 Πρότυπα Αναγνώρισης Σωματιδίων 72%

21 Πρότυπα Αναγνώρισης Σωματιδίων 76%

22 Πρότυπα Αναγνώρισης Σωματιδίων 80%

23 Το θερμιδόμετρο του ATLAS 84%

24 Το θερμιδόμετρο του ATLAS 88%

25 Άλλα είδη Θερμιδομέτρων Θερμιδόμετρο σταθερού όγκου (τύπου βόμβας) Θερμιδόμετρο σταθερού όγκου (τύπου βόμβας) 92%

26 Θερμιδόμετρο ισόθερμης τιτλοδότησης Βιολογικού & ιατρικού ενδιαφέροντος Βιολογικού & ιατρικού ενδιαφέροντος Σύγκριση προτύπου με προς μελέτη δείγμα Σύγκριση προτύπου με προς μελέτη δείγμα Ταυτοποίηση ή όχι του προς μελέτη δείγματος με το πρότυπο Ταυτοποίηση ή όχι του προς μελέτη δείγματος με το πρότυπο 96%

27 Μικροθερμιδόμετρο ακτίνων – Χ Καταμέτρηση παλμών θερμότητας από φωτόνια ακτίνων – Χ Καταμέτρηση παλμών θερμότητας από φωτόνια ακτίνων – Χ Υψηλή απόδοση & διακριτική ικανότητα Υψηλή απόδοση & διακριτική ικανότητα 100%

28 Επίλογος Τα θερμιδόμετρα είναι απαραίτητο τμήμα κάθε πειράματος φυσικής υψηλών ενεργειών Τα θερμιδόμετρα είναι απαραίτητο τμήμα κάθε πειράματος φυσικής υψηλών ενεργειών Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικών και αδρονικών καταιγισμών Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικών και αδρονικών καταιγισμών Προσφέρουν τη δυνατότητα μέτρησης της ενέργειας αλλά και αναγνώρισης ενός σωματιδίου Προσφέρουν τη δυνατότητα μέτρησης της ενέργειας αλλά και αναγνώρισης ενός σωματιδίου Μεγαλύτερη αποδοτικότητα προσφέρεται από τα δειγματοληπτικά θερμιδόμετρα διάταξης «ακκορντεόν» Μεγαλύτερη αποδοτικότητα προσφέρεται από τα δειγματοληπτικά θερμιδόμετρα διάταξης «ακκορντεόν» Θερμιδόμετρα χρησιμοποιούνται επιπλέον στη Χημεία και τη Βιολογία Θερμιδόμετρα χρησιμοποιούνται επιπλέον στη Χημεία και τη Βιολογία

29 Πηγές Βιβλιογραφία Fabjan C. “Calorimetry in high – energy physics” Leo W.R. “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments” Perkins D. “Introduction to high – energy physics” (μετάφραση Κ. Σαρηγιάννη) Wigmans R. “Energy loss of particles in dense matter – calorimetry” Μιχελής Σ. “Χημεία Β΄ Λυκείου” Α΄ τεύχος Παπαδοπούλου Θ. “Παραγωγή και ανίχνευση σωματιδίων και ακτινοβολιών” (σειρά σημειώσεων) Internet (αναζήτηση εικόνων)http://images.google.com


Κατέβασμα ppt "Θερμιδομετρία & Θερμιδόμετρα Αναστάσιος Ηλιόπουλος 11/04/2006 Επιβλέπων: Γ. Τσιπολίτης."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google