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

Embed Size (px)

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

  • Matko MilinPrirodoslovno-matematiki

    Nuklearna astrofizika

    Prirodoslovno-matematiki fakultet,

    Sveuilite u Zagrebu

  • 8. Eksperimentalne tehnike i

    metode

  • TREBAMO IZMJERITI:

    masa:

    A < 30

    udarni

    presjek:

    pojedinane reakcije i

    svojstva jezgra

    energije pobuenja

    spin-paritet & irina

    nain raspada

    potrebno

    znati:

    A > 30statistika svojstva

    Hauser-Feshbachovi rauni

    mase

    gustoa stanja

    energije odvajanja

    jako puno reakcija bitno

    nemogue ih prouiti sve

    eksperimentalni rezultati poeljni za to vie njih

  • experimental approaches

    DIREKTAN PRISTUP

    reakcije radijativnog uhvata

    reakcije prijenosa

    INDIREKTAN PRISTUP

    rezonanto elastino rasprenje

    reakcije prijenosa

    inverzne reakcije

    kulonska disocijacija

    ...

  • to se mjeri?- svojstva jezgara:

    oblik, magnetski i elektrini momenti, spektar pobuenih stanja, nain raspada

    - svojstva nuklearnih raspada

    Nuklearni eksperimenti- osnovne ideje -

    - svojstva nuklearnih raspada- svojstva nuklearnih reakcija

  • Snop: -estice (He++)

    Rutherfordov eksperiment (1911)

    Izvor: Radij

    Meta: zlatna folijaOlovni

    kolimatorDetektor: zastor

    od cinkovog sulfida

  • - dananja eksperimentalna nukl. fizika skoro iskljuivo vezana za ubrzivae i reaktore- prvi korak:

    Nuklearni snopovi- proizvodnja i voenje -

    - prvi korak: snop estica dovesti do mete

    - vrsta estica u snopu (razne jezgre, elektroni, antiprotoni itd.) i njihova energija biraju se ovisno o fizikalnom svojstvu jezgre koje se prouava

    razliite estice i energije razni ubrzivai i popratna oprema

  • Akceleratoriukupno u funkciji (IAEA, 2004): 17500 (!)

    120 visokoenergijskih (E > 1 GeV)1000 niskoenergijskih (nuklearna fizika + analiza materijala)100 sinkrotrona

    7000 implantatora7000 implantatora7500 primjena u medicini

  • Tipino akceleratosko postrojenje

    Bitni dijelovi:- izvor estica, ubrziva, sistem za voenje i fokusiranje

    snopa, te eksperimentalne linije

    LIIS, IRB, Zagreb

  • Izvori estica- izbor vrste izvora ovisi o ubrzivau i vrsti estica- ioniziranje: sudari izazvani visokim temperaturama ili radiofrekventnimoscilacijama- odvajanje: pomou elektrinih i magnetskih polja

    - 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

  • Vrste nuklearnih ubrzivaa

    Linearni akceleratori:- Van de Graaff (jednostruki ili tandem): jedna toka vrlo visokog napona (i do par desetaka MV!)- LINAC: bitno nii promjenljivi

    PRINCIP: nabijene estice ubrzavaju se visokim naponom

    - LINAC: bitno nii promjenljivi napon, ali unutar puno sekcija (bitna dobra sinhronizacija)

    Kruni akceleratori:- ciklotroni: maleni napon ubrzavanja unutar dijela krune putanje- sinhrotroni, betatroni, CERN, ...

  • 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

    konana energija: (Z+1)V- na IRB-u dva (6MV tandem i 1MV tandetron)

  • a) lin. ubrz. za Cs-137, f=10MHz, V0=100kV, Ti=1MeV

    Vrste nuklearnih ubrzivaa: LINAC-i

    b) elektrino polje u t=0

    (ubacivanje iona)

    c) elektrino polje u t=1/2f

    (f je RF frekvencija)

  • Vrste nuklearnih ubrzivaa: ciklotroni

  • Velika postrojenja - kombinacija vie ubrzivaa - u principu pojedini dijelovi jednaki malim akceleratorima- vrlo visoke energije ponajvei problem su vrlo velika magnetska polja (LHC!)

    - dva su osnovna pravca razvoja - dva su osnovna pravca razvoja akceleratoskih postrojenja: postizanje to viih energija i ubrzavanje to razliitijih vrsta estica

    - vrlo visoke energije fizika elementarnih estica- raznolikost snopova pioni i drugi mezoni, radioaktivni snopovi

  • upadna energija snopa ponajvie odreuje vrstu dominantnih reakcija

    vjerojatnost odvijanja dane reakcije ponekad se mijenja i za desetak redova veliine vrlo malenim promjenama energije

    npr. za reakciju kojim je naen neutron izmjereno je:

    4He+9Be 12C+n

    Energijska ovisnost nuklearnih reakcija

    He+ Be C+n

  • Tijekom vremena energija dostupna u laboratoriju raste:

    1919.- prva nuklearna reakcija u laboratoriju (Rutherford)

    1931.- prvi elektrostatski ubrziva (Van de Graaff)

    1931.- prvi LINAC (Sloan, Lawrence)

    1932.- prvi ciklotron (Lawrence, Livingston)

    1932.- prva nuklearna reakcija izazvana snopom iz ubrzivaa

    Povijest

    1932.- prva nuklearna reakcija izazvana snopom iz ubrzivaa (Cockcroft,Walton)

    1941.- prvi betatron (Kerst)

    1942.- prvi kontrolirani fisijski reaktor (Fermi)

    1945.- (prva fisijka atomska bomba)

    1954.- osnovan CERN europski centar za nuklearnu (i estinu) fiziku

    ...

  • snopovima razliitih energija isprobavaju se razliita svojstva jezgara od interesa

    energija snopa nije problem, tehnoloki razvoj se usmjerio na vrstu jezgara koje ubrzavamo (radioaktivni snopovi!)

    Danas

  • Radioaktivni nuklearni snopovi

    RNB radioactive nuclear beams

    RIB radioactive ion beams

    RIB rare isotope beams

    ...

    Isotope Separation on Line (ISOL) (CERN, LLN, ORNL, TRIUMF) Projectile Fragmentation (PF) (Berkeley, GANIL, GSI, MSU, RIKEN) in-flight production (ANL, Notre Dame, TAMU)

    prvi snopovi: PF 80-tih, ISOL 90-tih (ISOLDE i ranije)

    danas: par desetak postrojenja irom svijeta

  • RNB: ISOL vs. PF

    - nema kemijske analize- nema limita na T

    - energije previsoke za N.A.- slaba kvaliteta snopa (energija, dimenzija)

    - mogue neistoe

    - odlina kvaliteta- visoka istoa

    - velik intenzitet

    -ogranien broj izotopa- razliita procedura

    za razliite izotope- ogranienja na T 0.1s

    M.S. Smith and K.E. Rehm, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci, 51 (2001) 91-130

  • Radioaktivni nuklearni snopovi (RNB)

    ili radioaktivni ionski snopovi (engl. radioactive ion beams RIB)

    ili snopovi rijetkih izotopa (engl. rare isotope beams - RIB)

    snopovi jezgara koje se raspadaju u letu (uglavnom -raspad)

    osnovna ideja:

    lake odmicanje od linija stabilnosti

    reakcije s egzotinim ulaznim esticama ...

  • RNB-povijest

    neutronski snopovi: prvi neutronski generator Amaldi, Fermi 37; na IRB-u 50-tih

    pionski snopovi: rane 50-te (Brookhaven Cosmotron, Nevis Columbia, Berkeley, CERN, ...)

    ISOLDE (CERN): od ranih 70-tih proizvodnja radioaktivnih isotopa i njihovo prouavanje

    kasne 80-te: Berkeley prvi eksperimenti s fragmentiranim snopom kasne 80-te: Berkeley prvi eksperimenti s fragmentiranim snopom (Tanihata et al.)

    rane 90-te: Louvain-le-Neuve prvi eksperimenti sa snopom ubrzanih radioaktivnih jezgara

    posljednjih desetak godina: 10-15 aktivnih RNB-postrojenja

    danas: postrojenja druge generacije (npr. RIA @ MSU, FAIR @ Darmstadt)

  • RNB-proizvodnja 1: fragmentacija projektila

    teak snop visoke energije razbija se na debeloj meti

    stvoreni fragmenti imaju prilino usku raspodjelu po brzinama

    prednosti: jednostavnost, snopovi kratkog vremena poluivota

    mane: loa energijska rezolucija, slaba emitancija, maleni intenzitati, nemogunost rada na niskim energijama

  • RNB-proizvodnja 2: ISOL-metoda

    ISOL: od engl. Isotope separation on-line

    radioaktivni izotopi stvoreni uz pomo prvog akceleratora se ubacuju u drugi i ponovno ubrzavaju

    prednosti: kvaliteta snopa skoro kao za stabilne snopove, energija proivoljna

    mane: kompliciranost!, T1/210 ms

  • Louvain-la-Neuve, Belgija i ISOLDE, CERN, vicarska

    prvi upotrebljivi snopovi niskih energija poetkom 90-tih

    na iskustvima sakupljenim u LLN-u, sagraena su postrojenja u GANIL-u, GSI-u i drugdje

    Radioaktivni snopovi: postrojenja

  • Radioaktivni snopovi: znaaj

  • l1 l2

    L

    R

    B

    zz

    x1 x

    2

    x2'

    x1'

    Dipolni magnet

    Voenje i fokusiranje snopa

    ( ) ( )pBL

    x

    xR

    x

    x

    x

    xR

    x

    x/03.0

    10

    sin1

    0

    sin

    1

    1

    2

    2

    1

    1

    coscos

    coscos

    2

    2

    =

    +=

    kGm/GeV/c

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    -00004 -00003 -00002 -00001 00000 00001 00002 00003 00004

    NS

    N S

    R

    Kvadrupolni magnet

    xy=RBx=kyBy=kx

    =

    =

    dd

    dd

    M

    dd

    dd

    M

    gDefocu

    gFocu

    coshsinh

    sinhcosh

    cossin

    sincos

    sin

    sin

    )/(

    )/(3)( 22

    cGeVp

    cmkGkm

  • Voenje i fokusiranje snopa

  • Magnetski sektopol

    Voenje i fokusiranje snopa

    Kvadrupolne lee

    GSI - sistem za voenje snopa

  • Mjerenje snopa (integracija snopa)Faradayova aa

  • vrste mete CH2 (plastike!)

    jednostavne troenje vodikadx ~ 50 - 1000 g cm-2 neuniformne

    problemi s taljenjemprimjesa deuterija!

    He-mete

    H-mete

    vrste mete s implantiranim helijem

    Mete

    jednostavne za upotrebu koncentracij