Έρευνα ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ, ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ. Κ.A. Kάλφας, D.Phil.

Transcript

1 Η Πυρηνική Φυσική ως Εφαρµοσµένη Έρευνα ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ, ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Κ.A. Kάλφας, D.Phil.

2 ΦΥΣΙΚΗ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΤΗΣ ΦΥΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑ ΚΟΣΜΟ ΠΟΥ ΕΙΝΑΙ Ο ΕΣΜΟΣ ΜΕΤΑΞΥ ΧΩΡΟΥ, ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΥΝΑΜΕΩΝ 1. ΙΣΧΥΡΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ 2. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ 3. ΑΣΘΕΝΗΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ n p µετατροπές 4. ΒΑΡΥΤΗΤΑ

3 ?

4 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ Ι ΕΑ ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΓΕΓΟΝΟΤΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΓΕΓΟΝΟΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΕ Η/Υ ΑΝΑΛΥΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Οι τρέχουσες κατευθύνσεις είναι : Ι ΒΑΣΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ Μελέτες πυρηνικής δοµής Πυρηνική Αστροφυσική Μετρήσεις ενεργών διατοµών νετρονίων για τον «Ενισχυτή Ενεργειας» Παραγωγή Νανοδοµηµένων λεπτών υµενίων και µελέτη των ιδιοτήτων τους Μετρήσεις ενεργών διατοµών για αναλύσεις υλικών

6 ΙΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Αρχαιοµετρία, ιαγνωστική και συντήρηση µνηµείων και έργων τέχνης Επιπτώσεις περιβαλλοντικών παραγόντων σε βιολογικά συστήµατα Μέτρηση και διασπορά ραδιενεργών ισοτόπων Ισοτοπικές αναλύσεις νερών Παρασκευή και χαρακτηρισµός καινοτόµων υλικών ΙΙΙ. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ Ανάπτυξη Επιταχυντικών Συστηµάτων, Πηγών και δεσµών ιόντων Παραγωγή Βραχύβιων Ραδιοϊσοτόπων (π.χ. 67 Ga) Κατασκευή φορητών συστηµάτων XRF για επιτόπιο έλεγχο

7 Επιταχυντής Tandem Γενικά, επιταχυντής είναι µία ηλεκτρική-µαγνητική µηχανή η οποία επιταχύνει φορτισµένα ατοµικά και υποατοµικά συστήµατα σε υψηλές ταχύτητες. Ο επιταχυντής του ΙΠΦ του ΕΚΕΦΕ ηµόκριτος είναι τύπου T 11 Tandem Van de Graaff. Λειτουργεί σε 2 στάδια. Τοπρώτοστάδιοεπιταχύνει αρνητικά ιόντα µέχρι το µέσον του. Εκεί, µετηβοήθεια πολύ λεπτών φύλων άνθρακα, τα ιόντα απογυµνώνονται από ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Στο δεύτερο στάδιο, τα θετικά πλέον ιόντα σπρώχνονται προς το άλλο άκρο. Η τελική ενέργεια πού αποκτούν εξαρτάται από τον αριθµό των φορτίων των ιόντων και το δυναµικό του επιταχυντή. Τελική Ενέργεια = q(1) x V+ q(2)x V

8 + + Α + + C D Ε Β + Scale 1m + Σχέδιο - Τοµή τουεπιταχυντή

9

10

11 Κάτοψη

12 Πυρηνική Αντίδραση - Σύντηξη n p γ α

13 RADIATION α, β, γ β α γ

14 Σχάση

15 Ηδέσµη ιόντων χρησιµοποιείται στα εξής: Πειράµατα Πυρηνικής Φυσικής και Αστροφυσικής. Το επιστηµονικό προσωπικό του Ι.Π.Φ. καθώς και επιστήµονες από Εκπαιδευτικά και Ερευνητικά Ιδρύµατα της Ελλάδας και του εξωτερικού χρησιµοποιούν τον Επιταχυντή και τις πειραµατικές διατάξεις σε µία ποικιλία πειραµάτων. Περίπου 50 χρήστες διεξάγουν εδώ την έρευνά τους κάθε χρόνο. Πειράµατα Βιοφυσικής. Σε συνεργασία µε το Ινστιτούτο Βιολογίας σχεδιάζονται- εκτελούνται πειράµατα σε µια ποικιλία ερευνητικών δραστηριοτήτων που σχετίζονται µε τις επιπτώσεις τωνακτινοβολιώνσεβιολογικάσυστήµατα (π.χ. DNA). Εφαρµογές στην φυσική στερεάς κατάστασης. Με την εφαρµογή τεχνικών όπως PIXE ή RBS παίρνονται πληροφορίες για την σύνθεση και τις ατέλειες κρυσταλλικών συστηµάτων.

16 A. Επιπτώσεις περιβαλλοντικών παραγόντων σε βιολογικά συστήµατα ΜΕΛEΤΗ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΤΟ DNA Β. Μέτρηση και διασπορά ραδιενεργών ισοτόπων ΜΕΛEΤΗ ΘΑΛΑΣΣΙΑΣ ΥΝΑΜΙΚΗΣ

17 Το µόριο του DNA Οι µορφές (α) Β DNA (β) Α DNA (γ) Ζ DNA (δ) Τριπλή έλικα DNA

18 Το µόριο του DNA Η δικλωνική αλυσίδα Οι βάσεις Τα σάκχαρα

19 Οι επιδράσεις της ακτινοβολίας Κατά τη ραδιόλυση του νερού δηµιουργούνται δραστικές υδατικές ρίζες που αλληλεπιδρούν άµεσα µε το περιβάλλον τους.

20 Οι επιδράσεις της ακτινοβολίας Κάποιεςαπότιςυδατικές ρίζες αλληλεπιδρούν µε το µόριο του DNA αλλοιώνοντας τη δοµή του (έµµεσες επιδράσεις) Αλλά η ακτινοβολία µπορεί να επιδράσει και απευθείας µε το µόριο του DNA (άµεσες επιδράσεις)

21 ΜΕΘΟ ΟΣ ΙΑΤΑΡΑΓΜΕΝΩΝ ΓΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΩΝ (PAC) ΣΤΗΡΙΖΕΤΑΙ Στην ιδιότητα της ανισοτροπικής κατανοµής της εκποµπής 2 ακτίνων γ από ένα διηγηρµένο πυρήνα όταν αυτές ανιχνευθούν σε σύµπτωση. Η κατανοµή περιγράφεται από µια συνάρτηση W(θ) Πυρ. Ιδιοτήτων ΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΠΑΡΕΜΒΑΣΗΣ Στην κατανοµή W(θ) µε την επίδραση εξωτερικού πεδίου ΕήΜ δυνατότητα άντλησης πληροφορίας για το πεδίο που επέδρασε (εδώ το ηλεκτρικό πεδίο του DNA). W (θ) Πυρ. Ιδιοτήτων G(t)

22 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί Έστω γ - ραδιενεργός πυρήνας Οι αρχές της µεθόδου τυχαίος προσανατολισµός πυρήνων (ισοτροπία) η ανίχνευση της γ 1 επιλέγει το υποσύνολο των πυρήνων που εκπέµπουν κατά προτίµηση σε αυτήν την κατεύθυνση η εκποµπή µιας επόµενης γ από τον ίδιο πυρήνα έχει ανισοτροπική κατανοµή Αν ο πυρήνας εκπέµπει δύο διαδοχικές ακτίνες γ 1 και γ 2 γ γ 1 2 I 1, m 1 I, m δ δ I 2, m L + 1 = L L + 1 = L στροφορµές σταθµών µετάπτωσης + ποσοστό ανάµιξης (δ) η διασπορά των συµπτώσεών τους είναι ανισοτροπική

23 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί Οι αρχές της µεθόδου Οι µετρούµενες συµπτώσεις εξαρτώνται από τη γωνία θ µεταξύ των δύο ανιχνευτών. Οι αλληλεπιδράσεις υπέρλεπτης υφής προκαλούν περαιτέρω επιδράσεις στη µέτρηση.

24 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί Χωρίς εξωτερική διαταραχή Με εξωτερική διαταραχή µε G kk () t = S cos( b ω t) n kn W n W 0 ( Θ, t) = A kk P k ( cosθ) exp 1 2 b k ( Θ, t) = A G ( t) P ( cosθ) k 2 n kk ω 2 0 kk δ 2 t 2 k exp 1 2 b 2 n ω 2 0 τ 2 r αλληλεπιδράσεις υπέρλεπτης υφής η ασυµµετρία πεδίου ω n (η) = b n (η) ω 0 αποσβέσεις δ αβεβαιότητα ω 0 τ r χρονική διακριτική ικανότητα του µετρητικού συστήµατος για στατικό ηλεκτρικό πεδίο

25 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί για χρονικά µεταβαλλόµενοηλεκτρικόπεδίο! G k = 2 2 () t S cos( ω t) exp ω δ t exp ω τ exp( - t τ ) n kn n n n 2 r C τ C : χρόνος συσχετισµού (rotational correlation time) ο χρόνος που χρειάζεται το εξωτερικό πεδίο για να αλλάξει την τοπική του δοµή

26 Πειράµατα µε µε 111 In 111 In 111 In τ 1/2 = 2.85 ηµ. Ενέργεια (kev) EC γ 1 γ Cd I = 7/2 I = 5/2 I = 1/2 τ 1/2 = 85 nsec για Ι = 5/2 G = 20 2n n n r n t 2 2 n= () t S + S cos( ω t) exp ω τ exp ω δ t exp( - τ ) σύστηµα = DNA (D) + ρυθµιστικό διάλυµα (Β) + γυαλί (G) ( t) = f + f G ( t) + f G ( t) f G ( t) G σύ στηµα 0 D 2 B 2 + G 2 C

27 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί Πειραµατική εκτέλεση καταγράφονται τα χρονικά φάσµατα και υπολογίζεται ο παράγοντας διαταραχής G σύστηµα 2 ( o ) ( o N 180,t N 90,t) () t = α N( o 180,t) 2N( o 90,t) 2 + αφού Ν(Θ,t) = Ν 0 W(Θ,t)

28 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί Αποτελέσµατα υδατικό διάλυµα DNA µη ακτινοβοληµένο µε προσθήκη 111 In είγµα ω n (MHz) η δ τ C (nsec) Γυαλί 160 ± ± ± ± 10.5 Ρυθµιστικό διάλυµα 75 ± ± ± ± 23

29 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί Αποτελέσµατα υδατικό διάλυµα DNA µε 111 In ακτινοβοληµένο σε διάφορες δόσεις η σηµαντική παράµετρος είναι η τ C τα ω n, δ και η συνήθως προσδιορίζονται µε κάπως περιορισµένη ακρίβεια

30 Μεταβολή του τc µε τη δόση(γ)

31 Μεταβολή του τc µε τη δόση(νετρόνια)

32 Σύγκριση αποτελεσµατικότητας

33 Χρονικά ιαταραγµένοι Γωνιακοί Συσχετισµοί Πειραµατατική Εκτέλεση Ηπειραµατική διάταξη Το δείγµα τοποθετείται στο κέντρο του τραπεζιού των διαταραγµένων γωνιακών συσχετισµών.

34 ελατήριο στρέψεως τµήµα (άκαµπτη ράβδος) Μηχανική συµπεριφορά DNA Allison & Schurr (1979)

35 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η µέθοδος PAC έχει τη δυνατότητα να δίνει αξιόπιστες πληροφορίες για την επίδραση των ακτινοβολιών στο στο DNA σε αρκετά πρώιµο στάδιο(σε πολύ χαµηλές δόσεις). Τα αποτελέσµατα των πρόσφατων µετρήσεων υποδεικνύουν ότι, σε σχέση µε τιςακτίνεςγάµα, τα νετρόνια είναι περίπου 40 φορές πιο αποτελεσµατικά στο να επιφέρουν ανιχνεύσιµες αλλοιώσεις στο DNA. Το DNA που µελετήθηκε εµφανίζεται να εκτελεί ανεξάρτητες τµηµατικές ταλαντώσεις σε οµάδες της τάξεως των 100 bp. Η τελευταία αυτή πληροφορία ίσως αποτελεί το κλειδί στην κατανόηση του τρόπου επικοινωνίας του DNA (και κατ επέκταση του κυττάρου) µε το περιβάλλον του. Η µελέτη µε τη µέθοδο PAC ίσως δώσει χρήσιµες απαντήσεις στο πρόβληµα της επίδρασης ραδιοσυχνοτήτων στο DNA.

36 ΜΕΛΕΤΗ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Chernobyl

37 Πλοίο του ΕΛ. ΚΕ. Θ. Ε.

38 ειγµατολήπτης ιζήµατος τετράγωνης διατοµής µέχρι 50cm βάθος

39 ειγµατολήπτης νερού µε ενσωµατωµένους αισθητήρες αλατότητας, θερµοκρασίας, διαλυµένου οξυγόνου κ.λ.π.

40 Πόντιση ροζέτας

41 Ενεργειακό διάγραµµα αποδιέγερσης του 137 Cs

42 ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

43 ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ ΓΑΜΜΑ