Νετρόνια Τα νετρόνια (n) είναι αφόρτιστα σωματίδια, απαιτείται πυρηνική αλλ/ση ώστε να μεταφερθεί ενέργεια στο υλικό (απορροφητή). Η πιθανότητα αλλ/σης (ενεργός διατομή, σ) εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το τύπο των πυρήνων του υλικού και την ενέργεια των νετρονίων. Γενικώς, η ενεργός διατομή, σ, είναι πολύ μικρή και τα νετρόνια μπορούν να ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις (αρκετά cm) χωρίς αλλ/ση μέσα στην ύλη. Πάντως τα νετρόνια μπορούν να: 1. σκεδάζονται μεταφέρουν ενέργεια στο σκεδαζόμενο (recoil nuclei) πυρήνα, 2. να απορροφηθούν με τη βοήθεια διαφόρων πιθανών αντιδράσεων. Νετρόνια Ταχέα (μεγάλης ενέργειας) νετρόνια (fast neutrons): Τα ταχέα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν ελαστικές σκεδάσεις, μη-ελαστικές σκεδάσεις και απορρόφηση, όπου η σύντηξη (fusion) είναι η κύρια μορφή απορρόφησης. Ταχύ νετρόνιο Ελαστική σκέδαση πυρήνες απορροφητή μη-ελαστική σκέδαση γ γ βραχύ νετρόνιο γ γ Radiative capture 1
Ελαστική σκέδαση: Σκέδαση Νετρονίων Ένα μεγάλο μέρος της ενέργειας των νετρονίων μεταφέρεται στον πυρήνα, ειδικά στην περίπτωση που έχουμε υλικό από ελαφρύς πυρήνες (μικρό Α). Μη-ελαστική σκέδαση: Ο σκεδαζόμενος πυρήνας διεγείρεται και μετέπειτα αποδιεγείρεται συνήθως με την ταυτόχρονη εκπομπή φωτονίων, γ. Τα νετρόνια μετά από τη μη-ελαστική σκέδαση έχουν μικρότερη ενέργεια και συνήθως υπόκεινται μεγάλες αλλαγές στην κατεύθυνση τους. Απορρόφηση Νετρονίων (Capture) Σύντηξη των νετρονίων με τους πυρήνες του στόχου (απορροφητή). Ο παραγόμενος σύνθετος πυρήνας διεγείρεται σε μια ενέργεια που είναι περίπου ίση: ~ αρχική Κινητική Ενέργεια νετρονίου + Binding Energy (BE~8 MeV). Αυτή η επιπρόσθετη ενέργεια του πυρήνα εμφανίζεται αργότερα ως προϊόντα αντίδρασης (ακτίνες γ, φορτισμένα σωματίδια και νετρόνια). Αν η πιθανότητα απορρόφησης πιθανότητα σκέδασης, τότε τα νετρόνια υπόκεινται πολλαπλές σκεδάσεις με αποτέλεσμα σταδιακά να χάνουν την ενέργεια τους. Αυτή η διαδικασία «καθυστέρησης» (moderation) τα οδηγεί σε θερμική ισορροπία. Αυτά τα νετρόνια ονομάζονται θερμικά νετρόνια: Η ενέργεια των θερμικών νετρονίων σε κανονική θερμοκρασία (300 ο Κ) είναι περίπου Ε~kΤ=0.025 ev. 2
Αλληλεπιδράσεις Νετρονίων Ελαστική σκέδαση με πυρήνες απορροφητή (στόχου) Α(n,n)A: βασικός μηχανισμός απώλειας ενέργειας νετρονίων τάξης 1 MeV. Μη-ελαστική σκέδαση πυρήνες απορροφητή (στόχου) Α(n,n )A*, Α(n,2n )B, κλπ: βασικός μηχανισμός απώλειας ενέργειας νετρονίων > 1 MeV. Radiative neutron capture Χ(n,γ)Χ: A A+1 capt 1 n+ ZX γ+ ZX, σn, υ =ταχύτητα νετρονίου υ Πυρηνικές αντιδράσεις: (n,p), (n,n ), (n,α), (n,d), (n,n p), κλπ. όπου έχουμε σύλληψη νετρονίου και εκπομπή φορτισμένου σωματιδίου: ev <E n <kev. Πυρηνική σχάση (Fission): θερμικές ενέργειες. n+(z,a) (Z1,A1) + (Z2,A2) + n + n +. Παραγωγή αδρονικού πίδακα: υψηλές ενέργειες E n >100 ΜeV. Κατηγορίες Νετρονίων Υψηλής ενέργειας: Εn n > 100 MeV. Ταχέα νετρόνια: 100 kev < En E < 100 MeV Επιθερμικά νετρόνια: 0.1 ev < En E < 100 kev Θερμικά νετρόνια: En ~kt~ ~ 1/40 ev Ψυχρά ή Υπερ-ψυχρα: En E ~ mev ή μev V Η ολική πιθανότητα αλληλεπίδρασης νετρονίων είναι: σ = σ + σ + σ + tot el inel capt πολλαπλασιάζουμε με την πυκνότητα των ατόμων μέσο μήκος ελεύθερης διαδρομής (mean free path length): 1 N = tot = A ρ x - Nσ σtot λ λ A N = N o e Εξασθένηση νετρονίων σε πάχος x λ 0 = xexp(- x/ λ)dx 0 exp(- x/ λ)dx 3
Νετρόνια Καθυστέρηση ταχέων νετρονίων moderation, πολύ σημαντική διαδικασία για την πυρηνική φυσική και τεχνολογία. Νετρόνιο εισέρχεται στην ύλη και σκεδάζεται όπισθεν (μη-ελαστική) πρόσθια (ελαστική) χάνοντας ενέργεια μέχρι την θερμική ισορροπία με τα γειτονικά άτομα, οπότε συλλαμβάνεται από κάποιο πυρήνα. m E 1, v 1 M θ m v 0 w * v * v * σύστημα εργαστηρίου σύστημα κέντρου μάζας (CM) θ w * v 1 M mv 0 = (m + M)V cm διατήρηση ορμής v * = v 0 - V cm = M v 0 /(m + M) Μ/m=Α!! Νετρόνια Θεώρημα των συνημίτονων των v*, v 1 και V cm θα έχουμε: v 12 = (v*) 2 + (V cm ) 2 + 2 v*v cm cos θ v 12 (max) = (v* + V cm ) 2 = v 2 0 (θ = 0) v 2 2 12 (min) = (v* - V cm ) 2 = (M - m) 2 v 02 / (M + m) 2 = α v 2 0 (θ = 180 o ) όπου α= (M - m) 2 / (M + m) 2 Ενέργειες σκέδασης είναι: E 1 (max) = ½ mv 02 = E 0 E 1 (min) = α E 0 [=0 for M = m] (σκέδαση με πρωτόνιο, και επομένως έχουμε καθυστέρηση νετρονίων πιο αποδοτική με πρωτόνια ή ελαφρούς πυρήνες, για παράδειγμα: Νερό, παραφίνη, κ.λ.π.) 4
Νετρόνια P(E 1 ) μέση τιμή Επόμενες n σκεδάσεις: ( 1 ) αe 0 E E 1 0 Μέση τιμή: E = + α E E = E for M = m 1 1 1 2 0 1 2 0 E E 1 n = 0 E0 Εκθετική μείωση της ενέργειας E n vs n γραμμική σε λογαριθμική κλίμακα n E Κατανομή Condon-Breit για n σκεδάσεις: dp ( En) 1 Eo = ln de E ( n 1)! E o n 1 Νετρόνια Καλύτερα να υπολογίσουμε τη μέση μείωση του λογαρίθμου (ενέργειας) σε μια σκέδαση logarithmic energy decrement ( ) 2 M m M m ξ = ln( E0/ E1) = 1 + ln 2Mm M + m Μετά από n σκεδάσεις 2 4 γα ι Μ=Α<6 ξ = 2 A 3A Για σκέδαση από πρωτόνια Μ=m ξ=1 1 E lne ln 0 ln o n = E nξ n = ξ E n Για σκέδαση από πρωτόνια νετρόνια αρχικής ενέργειας Ε=2 MeV θερμοποιούνται (Ε=0.025 MeV) μετά από 18 σκεδάσεις 5
Θωράκιση Νετρονίων Θερμοποίηση νετρονίων: Υλικά πλούσια σε πρωτόνια H (Νερό, παραφίνη-polythene) Θωράκιση θερμικών νετρονίων: Μπετόν (Concrete) Φύλλα Καδμίου (Cadmium sheet) (μεγάλη απορρόφηση στις χαμηλές ενέργειες) Σπινθηριστές 6
Σπινθηριστές Η λειτουργία των σπινθηριστών στηρίζεται στην ιδιότητα ορισμένων υλικών φωτεινότητας (luminescence) όταν εκτεθούν σε κάποια μορφή ενέργειας (φως, θερμότητα, ραδιενέργεια) να απορροφηθούν και να επανεκπέμπουν την ενέργεια υπό μορφή ορατών φωτονίων. Αν επανεκπομπή ενέργειας άμεσα (10-8 s) φθορισμός (fluorescence) Αν καθυστέρηση επανεκπομπής φωσφορισμός (phosphorescence) H χρονική εξέλιξη της διαδικασίας επανεκπομπής περιγράφεται από: N t / τ N = o e d τ d Ν = αριθμός φωτονίων που εκπέμπονται σε χρόνο t Ν ο = ολικός αριθμός εκπεμπομένων φωτονίων τ d = σταθερά αυτοδιέγερσης, αντιστοιχεί στο χρόνο που απαιτείται για την εκπομπή 1-e -1 = 63% φωτονίων. Σπινθηριστές θωράκιση σιδήρου από Β πεδίου (μ-μέταλλο-μεγάλη διαπερατότητα) Σπινθηριστής Βάση Τροφοδοσίας Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) Ακτινοβολία (εδώ, ακτίνες-γ) εναποθέτουν ενέργεια στο σπινθηριστή, προκαλούν μια περιοχή διέγερσης. Η αποδιέγερση γρηδημιουργεί φωτόνια,, τα οποία αφού κτυπούν τη φωτο-κάθοδο του ΦΠ δημιουργούν φωτο-ηλεκτρόνια. Τα φωτο-ηλεκτρόνια πολλαπλασιάζονται και δημιουργούν ένα παλμό ρεύματος στην άνοδο. 7
Σπινθηριστές Σπινθηριστές Stokes shift Σπινθηριστής + ΦΠ+BT = ανιχνευτής intensity (a.u.) Πως δουλεύει; hν ex > hν em 200 300 400 500 600 700 wavelength (nm) απώλεια ενέργειας e.g. γ I(E) = I 0 (E)e -μx μετατροπή ενέργειας Energy Excitation Conduction band εκπομπή Conduction band band gap E g excitation rad. emission Valence band excitation ra ad. emission Valence band 8
Σπινθηριστές Τα κατάλληλα υλικά σπινθηρισμού καλύπτουν τις παρακάτω απαιτήσεις: Υψηλή απόδοση μετατροπής της διεγείρουσας ενέργειας σε ακτινοβολία φθορισμού. ιαφάνεια στο ορατό φως. Εκπομπή του ορατού φωτός σε φασματική περιοχή που αντιστοιχεί στην περιοχή φασματικής απόκρισης του ΦΠ. Μικρή σταθερά αποδιέγερσης. Χρησιμοποιούνται 6 τύποι υλικά: Οργανικοί κρύσταλλοι Οργανικά υγρά Πλαστικά υλικά Ανόργανοι κρύσταλλοι Αέρια Γυαλιά 9