Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Uplatnění spektroskopie záření gama A)Studium struktury jader, jaderných přeměn a jaderných reakcí 1) Vlastnosti a výhody využití elektromagnetického záření.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Uplatnění spektroskopie záření gama A)Studium struktury jader, jaderných přeměn a jaderných reakcí 1) Vlastnosti a výhody využití elektromagnetického záření."— Transkript prezentace:

1 Uplatnění spektroskopie záření gama A)Studium struktury jader, jaderných přeměn a jaderných reakcí 1) Vlastnosti a výhody využití elektromagnetického záření z jádra 2) Směry základního výzkumu s pomocí spektroskopie gama 3) Základní metody: a) Určení energií hladin a rozpadových schemat b) Určení spinů a parit hladin, multipolarity přechodů... c) Určení pravděpodobnosti přechodu (z doby života hladin, coulombovského buzení...) 4) Některé zajímavé příklady: a) Studium stavů s velmi vysokým spinem ( velmi rychlé rotace jader) b) Superdeformované stavy c) Gigantické rezonance 5) Vysokoenergetická „jaderná“ spektroskopie – příklad: Studium produkce neutrálních mezonů ve srážkách těžkých iontů B) Aplikace 1) Aktivační analýza 2) Materiálový výzkum metodami PIGE a PIXE 3) Využití difrakčních metod v krystalografii

2 Studium vlastností jader, jaderných přeměn a jaderných reakcí Unikátní vlastnosti elektromagnetické interakce: 1) Jednoduchý dobře známý popis interakce H EM Maticový element přechodu je: kde ψ i a ψ f jsou vlnové funkce počátečního a konečného stavu Pravděpodobnost přechodu → maticový element → přímá informace ψ i a ψ f Úkolem je poznat vlastnosti systému složeného z konečného počtu silně interagujících částic (nukleonů) Využívá se vlastností elektromagnetických interakcí a vyzařování fotonů v průběhu různých dějů v jádře Pozorované záření gama umožní určit strukturu jader → poznání silné interakce

3 2) Interakční energie elmg interakce v jádře je dána elektrickými náboji hadronů a jejich elektrickými proudy (dány pohybem nabitých a magnetickými momenty všech hadronů): kdeje čtyřvektor potenciálu ačtyřvektor nábojového proudu Předpoklad: jádro – systém bodových nukleonů: Hustota náboje: Hustota proudu: Interakce magnetických momentů nukleonů, kde - jaderný magneton Pohyb nabitých nukleonů kdeje projekce izospinu (používá se konvence t z protonu = +1/2 a neutronu -1/2), v i rychlost a s i spin gyromagnetické poměry: g 0 = g p + g n a g 1 = g n – g p proton g p = 5,58 neutron g n = - 3,82 Studium elmg interakce – přímý test, rozložení náboje, rychlostí nukleonů, spinů a izospinů v jádře

4 3) Slabá interakční konstanta – α = 1/137, použitelnost poruchových metod, většinou vystačí první řád, vyšší řády v případě potlačení přechodu prvního řádu zákony zachování nebo výběrovým pravidlem Čisté pole záření ve vakuu (φ = 0): Maxwellovy rovnice splněny → Obecné vektorové pole lze vyjádřit libovolným úplným systémem ortogonálních řešení těchto rovnic. Položíme: kde Maxwelovy rovnice ekvivalentní rovnici: Intenzita elektrického a magnetického pole: 4) Jednoduchý multipólový rozvoj a výběrová pravidla: Této rovnici vyhovují (J a M jsou celá čísla): a Libovolné můžeme rozložit do řady z těchto řešení (P = E nebo M): Připomínka: = 0 kde j J (kr) – sférické Besselovy funkce a - normované kulové funkce

5 Přiblížení: 1) Pohyb nukleonů nerelativistický 2) Vlnová délka záření velká vůči poloměru jádra A E γ << [MeV] Výběrová pravidla: Kvantové pole → E γ = ħω, složka z hybnosti M·ħ q*q – operátor s vlastní hodnotou počtu fotonů Dlouhovlnné přiblížení Foton má spin I a paritu π : EJ → I = min J, π = (-1) I MJ → I = min J, π = (-1) I+1 → uplatňují se členy s nejnižším J ( ) Přechod mezi hladinami se spinem I i a I f a paritami π i a π f : I = |I i – I f | pro I i ≠ I f I = 1 pro I i = I f > 0 π = (-1) I+K = π i ·π f K=0 pro E a K=1 pro M Elektromagnetický přechod s vyzářením fotonu mezi stavy I i = 0 a I f = 0 neexistuje

6 Studie pomocí spektroskopie záření gama a elektronů 1)Základní vlastnosti jader – kvantový systém silně interagujících nukleonů nové tvary jader, vysoko vzbuzené částicové a děrové stavy, elektromagnetické odezvy (spin, izospin...), různé kolektivní stavy 2) Pohyby nukleonů v extrémních podmínkách – vysoká excitace, vysoké spiny (rotace), superdeformované stavy, gigantické dipolové rezonance 3) Studium fundamentálních symetrií elementárních částic v hadronovém systému, nové stupně volnosti v jaderném poli, produkce rezonancí, podivnosti, partonové stupně volnosti Spektrometr EXOGAM na svazku radioaktivních jader v GANIL (Francie) Fotonový spektrometr TAPS při svém prvním pobytu v GANIL

7 Určování energie hladin a konstrukce schématu rozpadu 1) Co nejpřesnější určení energie přechodu 2) Koincidenční měření – určení umístění přechodu v kaskádě přechodů (vnitřní geometrie anticomptonovského spektrometru a multidetektorové sestavy) Spektrum a rozpadové schéma ze studie rozpadu 166m Ho provedené na anticomptonovském spektrometru ÚJF AVČR – zaměřena na slabé přechody s vysokou energií vybíjející rotační pásy nad vibračními stavy 3) Energie hladin z reakcí

8 Určení spinů hladin a multipolarity přechodů 1)Využití výběrových pravidel pro elektromagnetické přechody – využití výběrových pravidel a znalosti spinu některé z hladin, které přechod spojuje 2) Využití poměrů mezi pravděpodobností gama přechodu a vyzáření konverzního elektronu“ 3) Využití úhlového rozdělení záření gama vůči spinu jádra 4) Úhlová korelace dvou fotonů vyzářených za sebou v kaskádě: 5) Údaje o spinu z reakcí: analýza průběhu různých reakcí – různé reakce budí hladiny s různým spinem Určení konverzního koeficientu přechodu Konverzní koeficienty pro jednotlivé slupky α K, α L, α M, α N... Vlastnosti: 1) Konverzní koeficienty rostou s růstem multipolarity přechodu 2) α(M) > α(E) 3) rychle klesají s energií přechodu Celkové konverzní koeficienty v závislosti na energii přechodu Schematický náčrt (hodnoty převzaty z ADNDT 21(1978)4-5) Orientovaná jádra – studium úhlového rozdělení Orientace magnetickým polem, v reakci význačný směr svazku Legendrovy polynomy intenzita spinové orientace

9 Určování pravděpodobností přechodů z dob života hladin 1) Elektronické metody – měření křivky rozpadu Rozlišení BaF 2 - ~ 100 ps Rozlišení doby reakce (často z RF urychlovače) ~ 1 ns Celkové rozlišení v řádu jednotek až zlomků ns Časové spektrum – gaussian (prompt) + exponenciální křivka (izomerní) Dosažitelná dolní hranice: τ ~ ns = s Měření izomerních stavů Měření mimo svazek (po ozáření): τ ~ min - ∞ Transportní systém a měření během ozařování: τ > ~ s Měření na svazku: Modifikace časového spektra pro τ je srovnatelné s FWHM

10 2) Využití Dopplerova posuvu rychlost složeného jádra: A)Využití studia poměru Dopplerovsky posunuté a neposunuté linky v závislosti na vzdálenosti, ve které jsou odražená jádra zastavena Při reakci vzniká a(A,C) složené jádro: V případě coulombovské excitace a přímé reakce je rychlost odraženého jádra závislá na kinematice reakce Energie vyzářená pohybujícím se jádrem: kde θ – úhel mezi směrem pohybu jádra a emisí fotonu Závislost poměru E γ /E γ0 = f(θ) Rozlišení: HPGE ~ 0,003 a scintilátor ~ 0,05 pro θ = 0 o a 180 o je rozdíl energií maximální: Závislost rychlosti složeného jádra na energii svazku Poměr intenzity vyzářené odraženými jádry v pohybu a zastavenými : kde d = v·t 0 je vzdálenost mezi terčem a fólií zastavující odražená jádra v << c → zanedbání členu s (v/c) 2

11 Měřitelná oblast dob života: τ ~ – s B) Metoda zeslabení Dopplerova posuvu energie záření gama Produkce odraženého jádra → brždění a rozptyl v terči nebo podložce → vyzářený foton má různý Doplerův posuv energie → složitý tvar linky Měřitelná oblast dob života: τ ~ – s Analýza tvaru linky → určení doby života hladiny Vzdálenosti d v rozmezí 1 – mm (měření vzdálenosti elektricky) Příklad pozorování gama linek z hladin s různou dobou života Vztah mezi ionizačními ztrátami a dráhou: Δx = (dE/dx) -1 ΔE Dráha pro měřitelnou změnu rychlosti či zastavení závisí na Z odraženého jádra a materiálu terče ale x < mm Problémy: 1) Popis brždění a mnohonásobného rozptylu odraženého jádra 2) Doba života předchozích přechodů v kaskádě Terč 0,7 – 1,5 μm, fólie μm Au, Ta, Bi Příklad linky měřené zeslabením Dopplerova posuvu (převzato z D. Poenaru, W Greiner: Experimental Techniques in Nuclear Physics)

12 Určení pravděpodobností přechodů pomocí Coulombovského buzení Využívají se svazky těžkých iontů → vysoký náboj → buzení stavů s vysokým spinem Energie nesmí překonat energii Coulombovy bariery kde Z 1, Z 2, A 1 a A 2 jsou parametry nalétávajícího i terčového jádra Výhody: 1) Čistý elektromagnetický proces 2) Minimální pozadí – bez jaderných reakcí v terči nebo okolním materiálu 3) Dominantní buzení prostřednictvím E2 přechodů (v/c relativně malé → B(M) >B(EI+1) pro I > 1) → buzení rotačních pásů E2 přechody 4) Možnost výběru případu s buzením do vysokého spinu ↔ velký úhel rozptylu projektilu – současná detekce rozptýleného projektilu, odraženého jádra a gama kvant Spojení Coulombovského buzení, měření dob života a určování magnetických momentů Další metody: Jaderná rezonanční fluorescence– využití Mőssbauerova jevu τ = s Protonová rezonance τ < s Měřené doby života τ = s

13 Studium stavů s velmi vysokým spinem Buzení vysokospinových stavů ve srážkách těžkých iontů (Spiny Iħ ≥ 40ħ) Studium umožněno 4PI multidetektorovými spektrometry Vytvoření složeného jádra (τ > s) – 1) jádra s přebytkem protonů 2) svazky radioaktivních jader – i jádra s přebytkem neutronů Využití coulombovského buzení Excitační energie: E EX = E CM + Q Maximální dosažitelný spin μ –redukovaná hmotnost srážejících se jader R –největší vzdálenost při které ještě vzniká složené jádro Aproximace: parciální vlny pouze po l MAX Maximální spin stabilního rotujícího jádra (klasické odhady) Superdefor- mované stavy Energie projektilu v CM Energie reakce

14 Yrast linie – spojuje stavy s nejvyšším spinem pro danou energii Po vzniku složeného jádra vypaření několika nukleonů (převážně neutronů) → rychlý úbytek energie ~ 8 MeV/n jen malý úbytek momentu ~ 1ħ/n Excitační energie nižší než separační energie → s vybíjení gama kvanty: 1) Statistické (začínají ve vysoké hustotě stavů) přechody E1 z nejvýše vybuzených stavů 2) E2 přechody blízko Yrast linie – nejen uvnitř rotačních pásů (díky křížení) → velký počet přechodů s malou intenzitou – „kvazikontinuum“ 3) Pravidelná struktura rotačních pásů ~ 1MeV nad Yrast linií → dostatečná intenzita → pozorování jednotlivých přechodů Průběh vybíjení složeného jádra s velmi vysokým spinem (rotací) (převzato z D. Poenaru, W Greiner: Experimental Techniques in Nuclear Physics] Celková doba vybíjení ~ s, počet vyzářených fotonů ~ 30 konkurují vysokoenergetické gama vybíjející gigantické dipolové rezonance Dva typy rotace: 1) Kolektivní rotace - oblast deformovaných jader – kolektivní pohyb mnoha nukleonů 2) Nekolektivní rotace – sférická a slabě deformovaná jádra – vysoký spin dán pohybem několika nukleonů

15 Superdeformované stavy Stavy s velmi vysokou deformací (poměr os 2:1 a více) Vysoké spiny - přechody mezi jednotlivými druhy rotace s drastickými změnami tvaru jádra Hamiltonian pro rotaci osově symetrického jádra: Adiabatická podmínka – rotace je pomalá vůči jednočásticovému pohybu a vibracím → H intr a H vib je oddělena Vysoké spiny – rychlá rotace → silná Coriolisova interakce mezi částicovým a rotačním pohybem Křížení pásů – silná Coriolisova interakce snižuje energii vybuzeného jednočásticového stavu nad kterým je rozvinut rotační pás → překřížení s pásem nad základním stavem Dlouhé rotační pásy vybíjené dlouhými kaskádami E2 přechodů velmi blízké energie Vysoké spiny ~ první jádro 152 Dy (1984) Ukázka rotačních pásů v situaci adiabatického přiblížení Předpovídané slupkovým modelem – mezery mezi slupkami pro deformovaný potenciál Jen malá pravděpodobnost sycení těchto stavů ~ 1 %

16 Gigantické rezonance Různé typy gigantických rezonancí (převzato ze stránek GANIL) Vzájemný korelovaný pohyb různých typů nukleonů: 1)s různou orientací spinu 2)s různou orientací izospinu (protonové kapaliny vůči neutronové) Vybíjení jednoduché a dvojité gigantické dipólové rezonance vybuzené coulombovskou excitací v 208 Pb. Energie 13 MeV a 26 MeV, šířka dána vlastní šířkou popis Lorentzovou křivkou – studováno spektrometrem TAPS v GSI Darmstadt (J. Ritman: Phys. Rev Lett.70(1993)533) Přechody s vysokou energií Gigantické rezonance se velmi dobře získávají pomocí coulombovské excitace

17 Produkce neutrálních mezonů při srážkách těžkých iontů π 0  γ+γ (98.8 %) η  γ+γ (39.4 %) Rozpady: M 2 γγ = 2E 1 E 2 (1-cosΘ 12 ) Simulace kombinatorického pozadí Studium produkce π 0 a η mezonů ve srážkách těžkých iontů pomocí spektrometru TAPS Počet produkovaných částic na jeden účastnický nukleon v závislosti na energii srážky (TAPS přehled)

18 Aplikace spektroskopie gama 1) Aktivační analýza - A)Neutronová – vzorek se ozáří neutrony z reaktoru → produkce radioaktivních jader → studium charakteristického záření B) Fluorescenční – vzorek se ozařuje rentgenovým zářením → vyražení elektronů z atomového obalu → charakteristické rentgenovo záření C) Určení toku neutronů z aktivace folií – stejné jako neutronová jen známe množství ozařované látky a určujeme tok neutronů - použití v reaktorové fyzice Lze použít i pro určení toku jiných částic ve svazku (např. intenzitu svazku urychlovače Hraniční citlivost dána přesností určení intenzity gama ~ 1% tok neutronů známe → aktivita úměrná množství zkoumaného prvku velmi citlivá – hledáme stopová množství prvků citlivost závisí na prvku (rozmezí až 8 řádů) → až pg ( g) nepoškozuje zkoumaný předmět – možnost „skenování“ Reaktor LR-15 ÚJV Jeden z archeologických artefaktů zkoumaných v ÚJF AVČR

19 2) Na svazku iontů : A)PIXE – (Particle Induced X-ray Emission) nabité ionty (nejčastěji protony) s energií ~ 2 – 4 MeV → ionizace atomů → produkce charakteristického rentgenova záření Van de Graffův urychlovač v ÚJF AVČR se využívá k materiálovému výzkumu i metodami PIGE a PIXE Ukázka měření aerosolu v ÚJF – oddělení neutronové fyziky Složení vzorků pro ekologii, archelogii,... Citlivost až 1 ppm (10 -6 ) v μg množství) Princip metody PIXE © C2RMF, T. Calligaro Zkoumání historických děl metodami PIXE a PIGE (laboratoř C2RMF)

20 3) Rentgenová difrakční krystalografie Určování struktury krystalů, biologických látek, materiálů … pomocí difrakce rentgenova záření Využití synchrotronového záření: B) PIGE – Particle-Induced Gamma ray Emission) reakce lehkých jader s produkcí charakteristického záření gama reakce (p,γ), (p,p´γ) a (p,Xγ) Složení povrchů pro materiálový výzkum Metoda PIGE © C2RMF, T. Calligaro Tandetrom v ÚJF AVČR je využíván I možnost rentgenového laseru Založeného na volných elektronech: Synchrotronová laboratoř v Grenoblu Undulátor


Stáhnout ppt "Uplatnění spektroskopie záření gama A)Studium struktury jader, jaderných přeměn a jaderných reakcí 1) Vlastnosti a výhody využití elektromagnetického záření."

Podobné prezentace


Reklamy Google