Joniserande strålning från laddade partiklar

Föreläsning 4
Acceleration och detektion av partiklar
●
Enheter och stråleffekter
●
Strålnings växelverkan med materia
●
Acceleration av partiklar
●
Detektion av partiklar
Se även: http://physics.web.cern.ch/Physics/ParticleDetector/BriefBook/
Föreläsning 4 (k&p)
1
Enheter
●
Aktivitet
Aktivitet anges i:
1 Bq = 1 sönderfall/ s
(=1/(3.7 • 1010 ) Ci
●
Flöde
För fotoner gäller:
6.24 • 109/(Ef/λ),
där E är fotonens energi, f är
fraktionen energi som fotonen
avgett i en volym med
attenueringskoefficient en, λ..
Partikelflöden anges per cm2.
Antalet partiklar som avger 1 Gy
i ett material är för laddade
partiklar:
3.5 • 109/(dE/dX),
där dE/dx ges i MeV g-1cm2.
Föreläsning 4 (k&p)
2
●
Absorberad dos (D)
Mängden strålning som
absorberas i materia ges i Gray,
Gy
1 Gy = 1 joule kg-1 (= 100 rad)
●
Exponerad dos
Detta är en historisk enhet som
ges i Röntgen, R. Enheten ger
mängden röntgen eller gammastrålning, mätt genom att samla
upp sekundärelektroner
producerade av strålningen i luft.
Enheten är praktisk inom vissa
tillämpningar där man använder
gamma strålning..
1 R = 2.58 • 10-4 Coul/kg of air
STP
Föreläsning 4 (k&p)
●
Ekvivalent dos (H)
Enheten beaktar hur joniserande
strålning påverkar biologisk
materia. Strålningen ges olika
faltning wR beroende på
strålningstyp. Ekvivalent dos är
absorberad dos gånger
strålningens viktningsfaktorn wR.
H = wR · D
Enheten ges i Sievert
1 Sv = 100 rem
(roentgen equivalent man
(rem) är enheten som
användes innan SI enheten Sv
infördes)
3
Viktningsfaktorer strålning (ICRP
1990):
Strålning
wR
X- and γ-strålning
1
Elektroner och myoner
1
Neutroner *
5-20
Protoner > 2 MeV
5
α−partikel, kärnor
20
Viktningsfaktorerna är bestämda
utgående från biologiska studier
*
(beror starkt av energin, maxvärde 100
keV-2MeV)
●
Rekommenderade gränsvärden
ekvivalent dos:
Effektiv dos (E)
Enheten beaktar olika
vävnaders känsliget för
strålning.
Hel befolkning
1 mSv/y
Personal i strålningsmiljö 15 mSv/y
Dödlig dos vid helkropps exponering
(50% dödlighet utan medicinsk
behandling) är 2-3 Sv.
Viktningsfaktor för vävnad (ICRP 2007)
Vävnad
wT
Hud
Lever
Benmärg
Könskörtlar
0.01
0.04
0.12 (0.05)
0.08 (0.2)
Värde innan 2007 inom parentes
E = wT· H
Föreläsning 4 (k&p)
4
Föreläsning 4 (k&p)
5
Strålnings växelverkan med materia
●
●
●
Man kan i stort dela upp strålningen i tre huvudgrupper:
●
Joniserande strålning från laddade partiklar
●
Joniserande strålning från fotoner
●
Icke-joniserande strålning från neutrala partiklar
Strålskador uppstår då strålningen växelverkar med materia. En
del är små och repareras av sig själv medan andra kan vara
irreversibla.
Strålningens växelverkan med materia gör det också möjligt att
registrera strålning med detektorer.
Föreläsning 4 (k&p)
6
Joniserande strålning från laddade partiklar
●
Laddade partiklar avger energi när de växelverkar med atomernas
elektronhöljen. Energin avges kontinuerligt längs med partikelns
bana (joniserar sin omgivning).
q
●
Elektroner skiljer sig från tunga laddade partiklar (p, μ ...) genom
att snabbt förlora sin energi. De beror på att elektronerna har
samma vilomassa som atomens elektroner och påverkas därmed
kraftigt på sin väg genom materia.
Föreläsning 4 (k&p)
7
Bethe-Bloch Formeln beskriver energiförlusten för alla laddade partiklar förutom
elektronen.
[
2 me c²  ²  ² E max
dE
Z z²
­ =2 N a r² e me c²
ln
­2  ²­
dx
A ²
I²
re = classical electron radius
(2.813 · 10¯13 cm)
me = electron mass (511 keV)
Na = Avogadros number (6.022 · 1023
mol-1)
β = v/c
]
PH F-8.9
s. 327
γ = Lorenz factor =(1-β2)-½
δ = density correction
Emax = maximum energy transfer in
a single collision
z = charge of incident particle
Z = charge of target particle
I = excitation energy (I » 10 eV· Z)
dE/dx kallas också LET (Linear Energy Transfer)
●När den laddade partikelns hastighet minskar ökar energiförlusten för
att nå maximum strax innan partikeln helt avstannat. Detta ger
upphov till Braggs topp.
●
Föreläsning 4 (k&p)
8
Braggs topp
Föreläsning 4 (k&p)
9
Joniserande strålning från fotoner
●
Fotoner växelverkar med materia genom tre processer;
fotoelektriskeffekt, comptonspridning och parproduktion. Vid
fotoelektriskeffekt och parproduktion avger den hela sin energi
medan vid comptonspridning en del av sin energi. Vid låg energi
dominerar fotoelektriskeffekt.
γ
Föreläsning 4 (k&p)
10
e-
Fotoelektriskeffekt
●
γ
Compton spridning
●
Eγ', hν'
Eγ, hν
θ
me
Parproduktion
e-
●
γ
Föreläsning 4 (k&p)
e+
11
Intensiteten av fotoner som färdas genom materia dämpas
(attenueras) enligt:
●
I = I 0 e­ x
PH F-8.9 s. 329
Där μ anger massattenuerings koefficienten för mediet och x tjockleken.
Föreläsning 4 (k&p)
12
Icke-joniserande strålning från neutrala
partiklar
●
●
Neutrala partiklar påverkas inte av elektronernas eller
atomkärnornas laddning. Dessa växelverkar genom flera olika
processer som är energiberoende. De processer som dominerar
är elastiskt och inelastiskt spridning mot atomkärnorna.
I likhet med fotonerna sker det en attenuering när neutrala
partiklar färdas genom materia.
­ x
N = N0e
där λ är neutronens fria medellängd.
Föreläsning 4 (k&p)
13
Acceleration av partiklar
●
●
Acceleratorer behövs för att studera materia genom reaktioner
eller spridnings experiment. Med acceleratorer kan man öka
rörelseenergin hos en partikel som kan användas för att
överskrida en tröskelenergi för en reaktion eller för att minska
våglängden och därmed upplösningen i ett
spridningsexperiment.
Endast laddade partiklar kan accelereras med elektrostatiska fält.
t.ex. om man vill öka rörelseenergin med 1 keV krävs ett 1 kV fält
för en partikel med enkel laddning ( ±1e)
●
●
Man skiljer mellan två huvudtyper av acceleratorer:
●
lineära (Van de Graaff, linäraccelerator)
●
cirkulära (cyklotron, betatron, syncrotron)
Det är främst elektroner, protoner och joniserade atomer som
accelereras.
Föreläsning 4 (k&p)
14
I Van de Graaff acceleratorn utgår
man i från negativt laddade joner
som accelereras i ett första steg
, i ett elektrostatiskt fält, mot en
folie där jonen förlorar sina
elektroner och blir positiv
I andra fasen accelereras den
positiva jonen i samma fält som
tidigare men nu i omvänd riktning
mot fältet.
Oftast har den negativa jonen
en enkel laddning
Efter att elektronerna har
avlägsnat i foliet så är jonen
starkt negativt laddad ->
den kommer att accelereras
kraftigare än den negativa jonen
Föreläsning 4 (k&p)
15

Lineäraccelerator
Jonkälla
+/-
+/-
eV
-/+
-/+
Oscillator
E
Då det elektrostatiska fältet ändrar polaritet i takt med att den
laddade partikeln rör sig framåt accelereras partikeln. För att partikeln
inte skall kolliderar mot atomer under acceleration sker processen i vakuum
Föreläsning 4 (k&p)
16
Ex. Den stora lineäracceleratorn vid SLAC, USA
Föreläsning 4 (k&p)
17
Cyklotron och synkrotron
●
I en cirkulär accelarator utsätts de laddade partiklarna av både att
accelererande elektrostatisk fält och ett magnetfält som får
partiklarna att röra sig i cirkulär bana. Acceleratorn är
konstruerad så att kraften förorsakad av magnetfältet som för
partikeln mot cirkelns centrum motverkas av centrifugalkraften.
Kraften som magnetfältet utsätter partikeln för ges av.

 = q v× B
F
●
Balansvilkoret ges av
2
mv
F =
= qvB
r
●
Uttryckt i partikelns rörelsemängd
p = mv = qBr
Föreläsning 4 (k&p)
18
Vinkelfrekvensen för partikelns cirkulära bana är
v
qB
c =
=
r
m
som är oberoende av v och r. Detta definierar Cyklotronfrekvensen
v
qB
fc = =
r
2m
Sidovy
Topvy
S
B
N
~
Föreläsning 4 (k&p)
19
Tidig cyklotron
http://webphysics.ph.msstate.edu/javamirror/ntnujava/cyclotron/cyclotron.html
Large Electron Positron Collider/Large Hadron Collider vid CERN,
omkrets 27 km
Föreläsning 4 (k&p)
20
Detektion av strålning
●
Storheter som uppmäts i
detektorn
●
Fysikaliska storheter vi vill
bestämma
Partikel energi
E
-
energi
ΔE
-
energiförlust
t
-
tid
x,y
-
position
Partikel identitet
Partikel rörelsemängd
E²=mc²  ² pc ²
Föreläsning 4 (k&p)
21
En detektor baserar sig på att strålningen joniserar detektormediet och
på så sätt skapar en elektrisk signal som kan registreras. Viktigt för
detektorer är:
●
Linjärt beroende mellan energideposition och elektrisk
respons
●
Bra effektivitet för strålningen som önskas detekteras
●
Bra signal till brusförhållande för att även små signaler skall gå
att registreras.
●
Ibland är bra positionsupplösning viktig för finna
partikelns/strålningens bana och riktning.
●
Vanligtvis delar man upp detektorer mellan
●
gasfyllda detektorer
●
scintilationsdetektorer
●
halvledardetektorer
●
Föreläsning 4 (k&p)
22
Gemensamt för alla strålningsdetektorer är att strålningen skall
jonisera
detektormaterialet så att en signal genereras.
I passiva detektorer som röntgen film joniserar röntgen strålen
silverkorn
som blir svarta. I aktiva detektorer genererar detektorn en signal
som kan registreras elektriskt med ett mätinstrument.
Oftast är signalen från den jonisering som sker primärt i detektorn så
liten att signalen inte kan mätas utan förstärkning utan signalen måste
antingen förstärkas i detektorn eller i närheten av detektorn.
Primär jonisation
Föreläsning 4 (k&p)
Förstärkning&
pulsforming
Datainsamling &
presentation
23
Gasfyllda detektorer
●
I en gasfylld detektor används
i första hand ädelgaser som
jonisationsmedia. En
joniserande partikel som rör
sig genom gasen slår ut
elektroner från atomerna i
gasen. För att förhindra att
elektronerna förenas med
atomerna hålls gas i ett
elektriskt fält. Elektronerna
rör sig mot den positiva
anoden och jonerna rör sig
mot den negativa katoden.
q
Ar
-
+
●
●
●
Föreläsning 4 (k&p)
Förstärkare
Signal
Anoden består av en tunn tråd
(oftast guld) i kammarens
centrum
Anoden är ett ledande lager
vid kammarens ytterhölje.
Joniseringsgasen är en neutral
gas (ädelgas) med tillsats av
en liten mängd organisk gas
för att förbättra gasförstärkningen.
24
Som jonisationskammare vid låg
spänning, samlas enbart laddning som
primärt joniserats i kammaren
●Om spänningen höjs över ett visst
tröskelvärde som beror av
joniseringsgasen kommer elektronerna
som bildats vid primär jonisation att få
tillräcklig energi att sekundärt jonisera
gasen (gasförstärkning). Signalen ut är
proportionell mot primär joniseringen ->
proportionalitetsräknare
●
Om man höjer spänningen ytterligare
kommer gasen att satureras av joner
oavsett storleken på primär jonisationen,
detektorn förlorar sitt enegriberoende ->
Geiger-Muller räknare
●
Föreläsning 4 (k&p)
25
Scintilationsdetektor
●
●
I scintilationsdetektorn
joniseras ett kristall som vid
de-excitering avger fotoner
(ljus) med en längre våglängd
än den inkommande
strålningen. Ljuset
konverteras i en fotokatod till
elektroner som förstärks
genom att sekundärelektroner
skapas i dynoder i en
fotomultiplikator.
I kristallen är antalet fotoner
som uppstår vid deexciteringen proportionell
mot den deponerade energin.
Även fotomultiplikatorröret
ger ett proportionellt utslag.
Kristall
Ar
Fotokatod
Dynod
V+
Fotomultiplikator
DENNA DETEKTOR STUDERAS I LABBEN
Föreläsning 4 (k&p)
q
Signal
26
Halvledardetektor
●
I halvledardetektorn joniserar strålningen halvledar- materialtet
varvid elektroner i valensbandet exciteras till ledningsbandet
varvid en vakans skapas i valensbandet. För att förhindra att
elektronen och vakansen rekombinerar så lägger man en
spänning över halvledaren.
http://jas2.eng.buffalo.edu/applets/education/pn/biasedPN/index.html
●
En fungerande halvledardetektor är uppbyggd som en diod med
spänningen lagd mot ledningsriktningen vilket utarmar
halvledaren på laddningsbärare.
Utarmad region
q
n
p
+
Föreläsning 4 (k&p)
27