Πυρηνική Οργανολογία 3. Time of Flight Ανιχνευτές Čerenkov Α. Μαλτέζος

Time of Flight (ToF) Μία σημαντική εφαρμογή των ανιχνευτών σπινθηρισμού είναι η μέτρηση χρονικών διαστημάτων μερικών ns.

Πειραματική διάταξη ToF Οι ανιχνευτές S1 και S2 Χρησιμοποιούνται για τον σκανδαλισμό (trigger) Οι συμπτώσεις από τα S1 και S2 χρησιμοποιούνται για gate στο ADC και start στο TDC Ο ανιχνευτής S3 ο οποίος μετρείται, τοποθετείται ανάμεσα στους S1 και S2. Το σήμα της ανόδου του χρησιμοποιείται για stop στο TDC.

Εφαρμογή τουToF Λόγω των χαρακτηριστικών χρονισμού των σπινθηριστών σαν εφαρμογή έχουν το Time of Flight Το ToF στην ελαστική σκέδαση του πρωτονίου σχετίζεται Με την κινητική του ενέργεια Με τη βοήθεια του ToF προσδιορίζουμε τη μάζα σωματιδίων

Τεχνική προσδιορισμού μάζας σωματιδίων Δύο ανιχνευτές σπινθηρισμού απέχουν μεταξύ τους απόσταση L Σχετικιστικό σωματίδιο διανύει την απόσταση των δύο ανιχνευτών ps/m ps/m ή ισοδύναμα, δύο διαφορετικά σωματίδια θα έχουν διαφορετικό ToF

Διαφορά χρόνου ανά μονάδα μήκους Διαχωρισμός σωματιδίων Π-K, Κ-p και π-p Η διαφορά χρόνου είναι μικρή: για μήκος 10 m, η διαφορά χρόνου για π και Κ και για ορμή 1 GeV είναι 3.8 ns

Όρια ToF Τα όρια γι’ αυτή τη μέθοδο διαχωρισμού σωματιδίων είναι: Μέγιστη επιτρεπόμενη διαδρομή Ακρίβεια χρονισμού Συστηματικά σφάλματα μεγάλων πειραματικών διατάξεων

Ο συσχετισμός του χρόνου άφιξης με το μετρούμενο σήμα δίνεται: Όπου: τ διορθωμένος χρόνος t χρόνος που μετρήθηκε α το ύψος παλμού x/v διόρθωση θέσης Κ ελεύθερη παράμετρος

Διαχωρισμός π-Κ Συνεχής γραμμή: μετρημένες τιμές Διακεκομμένη γραμμή: διορθωμένες τιμές

Ακτινοβολία Čerenkov Εκπομπή ακτινοβολίας Čerenkov συμβαίνει όταν: ένα φορτισμένο σωματίδιο διέρχεται από κάποιο οπτικό μέσο και η ταχύτητά του είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός

Εκπέμπεται ένας μικρός αριθμός φωτονίων σε συγκεκριμένη γωνία ο οποίος προσδιορίζεται από τον δείκτη διάθλασης του μέσου και την ταχύτητα του φορτισμένου σωματιδίου. Το οπτικό μέσο, μαζί με σύστημα μέτρησης των φωτονίων που παράγονται (πχ φωτοπολλαπλασιαστής), συνιστούν τον ανιχνευτή Čerenkov

Δείκτης Διάθλασης Δείκτης διάθλασης συναρτήσει μήκους κύματος (λ)

Βασικές Αρχές Čerenkov Υποθέτουμε ότι ένα ηλεκτρόνιο διέρχεται από ένα οπτικό μέσο πχ γυαλί Υποθέτουμε επίσης ότι το ηλεκτρόνιο κινείται σχετικά αργά Τα άτομα που σχηματίζουν το γυαλί και παρίστανται με σφαίρες, παραμορφώνονται Γύρω από το σημείο P παρατηρείται πόλωση των ατόμων

Υποθέτουμε τώρα ότι το ηλεκτρόνιο κινείται γρήγορα με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Η εικόνα είναι διαφορετική υπάρχει συνολική διπολική ροπή κατά μήκος του άξονα Κατά την επαναφορά των ατόμων στην προηγούμενη κατάσταση εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Κατά Huygens: Κατά μήκος της ΑΒ παράγονται φωτόνια στα τυχαία σημεία P1, P2, P3 … Το ηλεκτρόνιο διανύει ΑΒ: Το φωτόνιο που εκπέμπεται από το σημείο Α: Τελικά έχουμε:

Παρατηρήσεις Για οπτικό μέσο με δείκτη διάθλασης n, έχουμε ταχύτητα κατωφλίου βmin=1/n, κάτω από την οποία δεν υπάρχει εκπομπή φωτονίων Για σχετικιστικά σωματίδια με β=1, υπάρχει μέγιστη γωνία εκπομπής φωτονίων: θmax=cos-1(1/n) Η εκπομπή φωτονίων γίνεται στην περιοχή του ορατού ή στο υπεριώδες κοντά στα όρια του ορατού, για τα οποία n>1. Εκπομπή στην περιοχή των ακτίνων Χ είναι αδύνατη.

Σχηματικά, η παραγωγή φωτονίων Čerenkov: Κάτω από το threshold Πάνω από το threshold

Πρώτα πειράματα Čerenkov από υγρά υπό την επίδραση ακτινοβολίας-γ. Η φύση του φαινόμενου είναι διαφορετική από τον φθορισμό Για τον πειραματικό προσδιορισμό της ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκαν ραδιενεργές πηγές που για τα σημερινά δεδομένα ακτινοπροστασίας θεωρούνται ισχυρές…

Στη θέση R1 ξύλινης βάσης (Β), τοποθετήθηκαν 104 mg ραδίου. Το προς μελέτη υγρό τοποθετείται σε μία χοάνη (Α) Οπτικό Σύστημα: L1 collimator P πρίσμα L2L3 τηλεσκόπιο D διάφραγμα W απορροφητής F φίλτρα Ν πρίσμα Nicol (πόλωση)

Μελετήθηκαν 16 υγρά: νερό, παραφίνη, ξυλόλη, τολουόλη, γλυκερίνη και αλκοόλες Συμπεράσματα: - Η σχετική ένταση ήταν παρόμοια σε όλα τα υγρά, δηλαδή περίπου ίδια φασματική απόκριση. - Δεν υπάρχει επίδραση της θερμοκρασίας. - Πόλωση, περίπου 20%. Νέα πειράματα…

1. Μελέτη της επίδρασης του μαγνητικού πεδίου. 2. Το φαινόμενο μπορεί να μελετηθεί με ακτινοβολία-β. 3. Με απλό collimation αποδείχθηκε χονδρικά: 794 mg ραδίου Β δοχείο με νερό ή βενζίνη L φακός

Φασματοσκοπία β 100 mc Rn V δοχείο με βενζίνη Μ1, Μ2 μονοχρωμάτορες Ε μέτρηση φωτός

Παρατηρηθείσα φασματική κατανομή, συγκριτικά με την κατανομή λάμπας Heffner Συνάρτηση έντασης Ε(λ) συναρτήσει του 1/λ3 Συμφωνία μέτρησης με θεωρία

Απόλυτη ένταση της ακτινοβολίας 150 mc Rn V δοχείο με νερό L λάμπα υδραργύρου 5360-5560 Å: 5460 Å

Μεταβολή θ συναρτήσει n για διάφορα υγρά και για 2 διαφορετικές ραδιενεργές πηγές

Γωνία Čerenkov θ συναρτήσει της ταχύτητας, για διάφορους δείκτες διάθλασης

Φαινόμενο Čerenkov Φωτόνια Čerenkov παράγονται Όταν β>βt

Κλασσική Ηλεκτροδυναμική (Frank & Tamm – 1937) Θεωρούμε ηλεκτρόνιο κινούμενο σε ιδανικό ισότροπο διηλεκτρικό Η λύση των εξισώσεων Maxwell για βn>1: Όπου: re η κλασσική ακτίνα του ηλεκτρονίου ή ισοδύναμα:

Η εκπεμπόμενη ενέργεια συγκεντρώνεται σε μικρά μήκη κύματος. Ο συνολικός αριθμός εκπεμπομένων φωτονίων είναι: Όπου α η σταθερά λεπτής υφής Για δε τον συνολικό αριθμό φωτονίων ανά μονάδα μήκους:

Αν η μεταβολή n(λ) είναι μικρή σχετικά με το διάστημα μηκών κύματος(λ1 έως λ2), τότε: Και για τα φωτόνια: Για παράδειγμα: Για μήκη κύματος 350 – 500 nm Αντιστοιχεί φωτοπολλαπλασιαστής με φωτοκαθόδο τύπου Sb-Cs και dE/dx= 1180sin2θ eV/cm dN/dx=390sin2θ φωτόνια/cm

Φυσικές ιδιότητες ακτινοβολητών

Ανιχνευτές Čerenkov Ο ακτινοβολητής πρέπει να είναι διαφανής για την εκπεμπόμενη ακτινοβολία Κατωφλίου Διαφορικοί

Ανακλαστικότητα κατοπτρικών επιφανειών

Διαφάνεια υλικών

Ακτινοβολητές

Κατώφλια ακτινοβολητών

Παραδείγματα ανιχνευτών Čerenkov

Μεγάλο ανιχνευτικό σύστημα Čerenkov

Αποδοτικότητα ανιχνευτή Čerenkov

Αποδοτικότητα

Διαφορικός ανιχνευτής (DISC)

Πειραματική διάταξη ΝΑ14

Ανιχνευτής Čerenkov

Ανιχνευτής Čerenkov

Ακτινοβολητής

Θωράκιση φωτοπολλαπλασιαστή στο εσωτερικό μαγνητικού πεδίου

Θωράκιση φωτοπολλαπλασιαστή στο πλευρό μαγνητικού πεδίου

Κώνος Winston

Συνδυασμένη πληροφορία Čerenkov (Threshold)

Σύστημα Σκανδαλισμού

Κώνος φωτονίων

Ring Imaging Čerenkov

Ακτινοβολητές

Ring Imaging Čerenkov

Βιβλιογραφία Radiation Detection and Measurement, Glenn F. Knoll Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, W.R. Leo Introduction to Experimental Particle Physics, Richard Fernow Čerenkov radiation and its applications, J.V. Jelley

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ

Σας Ευχαριστώ !