Pomiary w Fizyce Jądrowej

 

 konspekt wykładu

 

dr inż. Radomir Kupczak

 

All rights reserved

 

 

PROGRAM ZAJĘĆ

 

Zarys historyczny i specyfika pomiarów w fizyce jądrowej

Niskie energie, wysokie energie,

                                                        

Organizacja pomiarów w eksperymencie

DESY ZEUS (40-200 tys. Parametrów), CERN,

 

Detektory i czujniki

Detektory gazowe, półprzewodnikowe, scyntylatory,

 

Rejestracja cząstek

Specyfika elektroniki dla rejestracji E, DE, pozycji, czasu przelotu.

Układy kaskadowe i teleskopowe detektorów.

Analiza amplitudy, kształtu , czasu narastania impulsu.  

Kalibrowanie torów pomiarowych. 

 

Aparatura pomiarowa

Przedwzmacniacze, wzmacniacze, konwertery, pipe-line, analizatory.

Wzmacniacze elektroniczne, obwody logiczne.

Spektrometry n-kanałowe.

Wspomaganie szybkości rejestracji przez układy pipe-line i scanery.

Programowalne obwody elektroniczne Xilinx, Altera.

 

Organizowanie zbierania danych

Trigery amplitudowe, koincydencyjne, antykoincydencyjne, koincydencje krotnościowe i wielokrotne, matryce  look up table.

Czasy martwe, pile-up.

 

Slow Control

Technika pomiarowa on-line i off-line określająca stan detektorów i aparatury (40 - 600 tys. parametrów).

Problemy energetyczne (przy założeniu, że na jeden tor zużywa się 100 mA prądu - to przy 100 000 jest to już 10 000 A)

 

Ochrona zdrowia i aparatury i bezpieczeństwo jądrowe (dozymetria).

Systemy zabezpieczeń. Kontrola pomieszczeń i aparatury.

ich jednostki, pomiary i normy; zasady pracy ze źródłami i wiązkami promieniowania.

 

Symulacje eksperymentu

symulacja on-line cząstek, testy aparatury – generatory symulacyjne cząstek.

Generator ładunku.

Praktyczne zastosowania technik jądrowych w ochronie środowiska

Oczyszczanie gazów odlotowych z użyciem wiązki elektronów (EC Kawęczyn, EL Pomorzany). Omówienie systemu i uzyskiwanych efektów.

 

Praktyczne zastosowania technik jądrowych w medycynie

Zjawisko rezonansu jądrowego, omówienie sytemu pomiarowego (wywoływanie rezonansu przy stałym i liniowo zmiennym polu magnetycznym), rezonans protonowy, litowy, fosforowy, pobudzanie i rejestracja sygnałów, analiza matematyczna, otrzymywanie obrazów tomograficznych.

Oczyszczanie gazów odlotowych z użyciem wiązki elektronów

 

W ramach zajęć planowane są  dwa wykłady: w placówce medycznej (rezonans) i w EC Kawęczyn (oczyszczanie gazów odlotowych metodą  jądrową).

 

Zarys historyczny i specyfika pomiarów w fizyce jądrowej

 

Elektronika - pierwsze scalone obwody  cyfrowe TTL Texas Instruments, pierwsze wzmacniacze operacyjne

 

  Laboratorium Reakcji Jądrowych w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych

Dubna pod Moskwą (1978 - 1985)

 

 

Cyklotron U-400Centrum 

Spektrometr magnetyczny MSP144

 

model cyklotronu

Pozycyjny detektor gazowy

Centrum Pomiarowe  U-300

komputer SM-3

produkowany w Warszawie na ul. Łopuszańskiej

(PDP-11/20-40 Digital Equipment Corporation), 

32 - 64 kB pamięci operacyjnej, dyski magnetyczne 2,5 MB, taśmy magnetyczne 25 MB

 

 Eksperyment

 

URAN

Eksperyment - wyk. Tomasz Wiśniewski I rok WF PW

 

 

 

Eksperymenty Wysokich Energii

 

CERN - ring 27 km

DESY - ring 6,3 km

pierwszy na świecie kołowy akcelerator przeciwbieżnych wiązek

 

Widok tunelu

 

ZOBACZ

CERN - historia
 Przygoda z cząstkami I
 Przygoda z cząstkami II
Najciekawsze akceleratory
CERN
Detektor ZEUS - DESY - Hamburg
Historia odkryć
 
 
Organizacja pomiarów w eksperymencie

 

Współpraca międzynarodowa

 

CERN 2007

DESY

 

Detektor ZEUS

ZEUS i Twórcy

 

Migawka z budowy Plan sytuacyjny - 8 pięter pod ziemią

 

Standardy VME, CAMAC, GPIB, CAN, TTL, ECL, NIM

Szafy z elektroniką analogową

 

 

Akcelerator HERA i detektor ZEUS

      W DESY (Deutches Elektronen Syschrotron) w Hamburgu działa od 1992 Akcelerator HERA (Hadron Elektron Ring Angle). W dwóch niezależnych pierścieniach umieszczonych w tunelu 6,3 km przyspiesza się przeciwbieżnie protony i elektrony e- lub pozytrony e+

 

      Wstępne przyspieszenie cząstek następuje w mniejszych akceleratorach (LINAC, DESY, PETRA) do energii 40 GeV- protonów i 14 GeV- elektronów. Ostateczne przyspieszenie następuje w akceleratorze HERA – 920 GeV dla protonów i 27,5 GeV dla elektronów. Każda z wiązek podzielona jest na 255 paczek na obwodzie, które zderzają się co 96 ns w miejscach przecięcia gdzie umieszczone są detektory H1 i ZEUS.

Duża energia dostępna w zderzeniach (318 GeV w układzie środka masy) pozwala na badanie:

-         struktury protonu w procesach rozpraszania głęboko nieelastycznego

       (DIS – Deep Inelastic Scattering).

-         struktury fotonu I pomeronu w procesach dyfrakcyjnych

            (produkcja mezonów wektorowych).

-         Modelu Standardowego (chromodynamika kwantowa, oddziaływania elektrosłabe, produkcja cząstek zawierających ciężkie kwarki).

-         Sygnałów spoza modelu standardowego (cząstki supersymetryczne, leptokwarki, podstruktury kwarków i leptonów).

 

Przekrój detektora ZEUS

ZEUS jest jednym z detektorów badających cząstki powstające z rozpadów w zderzeniach.

Jego ciężar przy wymiarach 12 m x 10 m x 19 m wynosi 3600 ton.

 

Detektory i czujniki

 

            Detektor ZEUS powstał w ramach międzynarodowej współpracy. Przy jego budowie (Backing Calorimeter) uczestniczyli między innymi Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego i  Akademia Górniczo-Hutniczą z Krakowa.  Istotny wkład w projekt i budowę systemu kontroli i akwizycji danych wnieśli elektronicy z Instytutu Systemów Elektronicznych i Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

 

 

Komory BAC (BAking Calorymetr)

 

Podstawowym zadaniem kalorymetru jest pomiar energii wypływów hadronowych z kalorymetru uranowego, dodatkowo detektor BAC umożliwia detekcję mionów, przez ich identyfikację oraz pomiar energii i kierunku torów

            BAC jest kalorymetrem zbudowanym z wielu komór (gazowych detektorów przepływowych) napełnionych argonem z domieszką dwutlenku węglaKomory posiadają długość od 2 do 7,5 metra i wsunięte są w szczeliny między stalowe płytyo grubości 7,3 cm. 

Do budowy kalorymetru BAC wykorzystano około 5200 komór o łącznej powierzchni 3500 m2.

Każda komora podzielona jest na  7 bądź 8 cel o wymiarach poprzecznych 1,1 cm x 1,5 cm, przez środek których przeciągnięte są druty (anody +1785 V)  o średnicy 50 μm (40 tysięcy). 

Komory kalorymetru BAC pracują w trybie proporcjonalnym ze współczynnikiem powielania ładunku jest rzędu 104 - 105

            Kalorymetr BAC wyposażony jest w dwa komplementarne systemy odczytu energii z płaszczyzn katodowych oraz drutów anodowych. 

 

Odczyt energetyczny

            Odczyt energetyczny w detektorze BAC odbywa się w ramach tzw. wież kalorymetrycznych. W celu zredukowania liczby kanałów pomiarowych, sygnały ładunkowe napływające z sąsiednich komór sumowane są analogowo przed wprowadzeniem na FADC. 

              Dane z FADC (2352 kanałów) przekazywane są do bufora cyklicznego RAM (pipeline) gdzie oczekują na decyzję pierwszego poziomu wyzwalania GFLT. 

Odczyt pozycyjny

            Duża ilość kanałów odczytu pozycyjnego (około 40 tysięcy) wymusiła rozwiązanie, w którym obsługujące je moduły elektroniki cyfrowej umieszczone są bezpośrednio na detektorze. Analogowe sygnały z ośmiu drutów znajdujących się w pojedynczej komorze wprowadzane są na układ komparatorów porównujących ich amplitudy z zadanym programowo progiem, przedstawiając w wynik (ośmiobitowe słowo) "trafionych" drutów anodowych. Dane z piętnastu komór zgrupowane są w jednym module (HITBOX).

 

1.      G. Bałuka i inni ”System odczytu i układ wyzwalania kalorymetru wspomagającego BAC dla detektora ZEUS”, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, Warszawa 2002

2.      G. Bałuka i inni ”Model bazodanowego rozproszonego systemu diagnostycznego dla detektora BAC w eksperymencie ZEUS (DESY, Hamburg)”,Krajowy Kongres Metrologii, Warszawa 2001

3.      G. Grzelak, R. Kupczak, T. Jeżyński ”System akwizycji danych BAC”, DESY Hamburg 2001

4.      ZEUS Collaboration “The ZEUS detector status report”, DESY Hamburg 1993

5.      G. Bigos, A. Gierej, D. Górczyński, G. Grzelak, T. Jeżyński, K. Kierzkowski, I. M. Kudła, A. Kuliński, M. Kuthan, Z. Łuszczak, R. Nowak, P. Pluciński, K. Poźniak, R. Romaniuk ”Obiektowo i bazodanowo zorientowany system diagnostyczny dla kalorymetru uzupełniającego BAC eksperymentu ZEUS”, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, Warszawa 2002

  

 

Rejestracja energii

 

 

Rejestracja  pozycji

 

pipe-line, wyk. Tomasz Wiśniewski I rok WF PW

 

 

 

Rejestracja cząstek

Analiza amplitudy, kształtu , czasu narastania impulsu.

Specyfika elektroniki dla rejestracji E, DE, pozycji, czasu przelotu.

Układy kaskadowe i teleskopowe detektorów.

Analiza amplitudy, kształtu , czasu narastania impulsu. Spektrometry n-kanałowe.

Wspomaganie szybkości rejestracji przez układy pipe-line i scanery.

Kalibrowanie torów pomiarowych. 

 

 

określenie pozycji (komory drutowe)

 

Konwertery ADC - matryca  look up table

metoda pomiaru FADC

 

ADC Wilkinsona

 

Kalibrowanie torów pomiarowych

 

 

Graficzna prezentacja wyników

 

wyk. Paweł Bochiński i Michał Jankowski, IVrok WF PW

Aparatura pomiarowa

Wzmacniacze elektroniczne

Wzmacniacz operacyjny

 

 

Obwody logiczne

Dwa typy funktorów: "lub" i "i"

 

     

Tablice stanów

 

Równoważne schematy

 

Spróbuj narysować tablicę stanów

 

Przy takim schemacie zajmie to 5 sek

 

Programowalne obwody elektroniczne Xilinx, Altera, VHDL

 

Pipe-line

 

Spektrometry n-kanałowe.

Prezentacja widma jedno i dwuparametrycznego

 

Organizowanie zbierania danych

Trigery amplitudowe

Jak to działa?

 

Koincydencje proste

Realizacja koincydencji prostej

 

 

określanie czasu z dokładnością dziesiąt ps

 

 wyk. Marcin Hołdyński, IVrok WF PW

 

Antykoincydencja, koincydencja krotnościowa i wielokrotna 

 

Matryca koincydencji

 

Jaki wyznaczyć trigger dla wyboru podwónych cząstek o określonej energii?

 

Badanie stanu aparatury

 

Koincydencje przypadkowe

 

"Rozmycie" widma

 

Generator ładunku

 

 

wyk. Dariusz Cholewa, IVrok WF PW

 

 

Stabilność długoczasowa

 

Czasy martwe

czas potrzebny do rejestracji cząstek wynosi: T= N x Tm 
N - ilość cząstek zarejestrowanych, Tm - czas martwy
określanie czasu martwego aparatury:

Wykonujemy 3 pomiary: z jednym źródłem (N1)

z drugim źródłem (N2) i z dwoma źródłami (N12)

N1 - ilość cząstek zarejestrowanych w pierwszym badaniu,

N1 - ilość cząstek zarejestrowanych w drugim badaniu,

N12 - ilość cząstek zarejestrowanych w trzecim badaniu,

 

pile-up

Zniekształcenia przez nakładanie się sygnałów - pile up

 

 

 

Wymagania stawiane komputerom i pamięciom masowym

Komputery i pamięci masowe jako „wąskie gardło” w technikach rejestracyjnych.

 

Odczyty danych

 

Wspomaganie szybkości rejestracji przez układy pipe-line i scanery.

 

Slow Control

http://itcobe.web.cern.ch/itcobe/Services/Pvss/ScadaLab/CSC/welcome.html wstepne informacje (wyklady) o DCS
http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/ klikamy na "Electronics" potem na "Interface to ECS" i "Experiment Control System(ECS)" i trzy pliki (w pdf): DCS.Lecture1,2,3
http://itcobe.web.cern.ch/itcobe/Projects/Framework/welcome.html informacja o FRAMEWORK

 

Technika pomiarowa on-line i off-line określająca stan detektorów i aparatury - generator ładunku.

(40 - 600 tys. parametrów).

Problemy energetyczne (przy założeniu, że na jeden tor zużywa się 100 mA prądu - to przy 100 000 jest to już 10 000 A)

 

Ochrona zdrowia i aparatury i bezpieczeństwo jądrowe (dozymetria).

Systemy zabezpieczeń. Kontrola pomieszczeń i aparatury.

ich jednostki, pomiary i normy; zasady pracy ze źródłami i wiązkami promieniowania.

 

 

Symulacje eksperymentu

symulacja on-line cząstek, testy aparatury – generatory symulacyjne cząstek.

 

 

Praktyczne zastosowania technik jądrowych w ochronie środowiska

Oczyszczanie gazów odlotowych z użyciem wiązki elektronów (EC Kawęczyn, EL Pomorzany). Omówienie systemu i uzyskiwanych efektów.

 

Praktyczne zastosowania technik jądrowych w medycynie

Tomografia

   

 

 wyk. Daniel Kikoła, IVrok WF PW

 

Zjawisko rezonansu jądrowego

Jądra z nieparzysta ilością nukleonów w wyniku obrotu wywołują prądy wirowe (ruch ładunku elektrycznego).

Indukują one pole magnetyczne przez co każdy atom staje się dipolem magnetycznym ( małym magnesem). W stałym polu magnetycznym Bo układają się one wzdłuż linii pola (wyróżnia się orientację równoległa i antyrównoległa)

 

 

Dla jąder H (wodoru) na 10^8 atomów skierowanych zgodnie tylko jeden ustawia się odwrotnie.

Każde jądro w obecności zewnętrznego pola magnetycznego wiruje ze ściśle określoną częstością.

Częstość obrotów protonów w związkach wody wyności:

4257,608(12) Hz/Gs

 

 

Dla pola równego 1T = 1000 Gs

wodór 42,57 MHz
fosfor 17,24 MHz
sód 11,26 MHz

 

Pobudzanie protonów impulsem WCz przy stałym polu B0 Pobudzanie protonów impulsem WCz przy polu B z gradientem

 

 

Orientacja atomowych dipoli magnetyczych w polu magnetycznym

  wyk. Paweł Strąk IVrok WF PW

 

 

Pobudzenie rezonansu

 

 

 

 

 

precesja - wyk. Paweł Strąk IVrok WF PW

 

 

 

 

Wywoływanie precesji

 

Cykl rezonansu jądrowego

 

Rezonans magnetyczny w niejednorodnym polu magnetycznym

 

Skanowanie

 

 

Schemat stanowiska skanującego

 

 

 

Stanowisko diagnostyczne

 

NMR  Rentgen NMR - serce

 

1.      N. Bloemberg, Phys. Rev. 73, (1948), 679

2.      J.Pikett, Santific American, May, (1982), vol 246, Nr 5

3.      Proc. IEEE 1974, V62, p. 1319-1338

4.      Britisch J. of Radiology 1976, 49, p.604

 

1948 - N. Bloemburgen i in. opublikowali teorię rezonansu jądrowego

 

F. Bloch z Standfordzkiego Uniwersytetu i E. Piorsell z Harwardzkiego Uniwersytetu opracowali eksperymentalne założenia NMR-spektroskopii. Za tą pracę otrzymali w 1952 roku Nagrodę Nobla.

 

1951 - P. Gabiar z Uniwersytetu Pedagogicznego w Paryżu zauważył, że sygnał NMR ulega zniekształceniu w zależności od kształtu i objętości obiektu. Deformacja jest także tym większa im bardziej niejednorodne jest pole magnetyczne Bo.

 

 

 

Paul C. Lauterbur (USA) i Sir Peter Mansfield (Wielka Brytania) - 2003 rok nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii za obrazowanie przy użyciu rezonansu magnetycznego

Profesor Paul C. Lauterbur odkrył możliwość tworzenia dwuwymiarowych obrazów struktur biologicznych i cząsteczek chemicznych.

Brytyjczyk, prof. Sir Peter Mansfield w 1976 r. uzyskał pierwszy obraz ludzkiej części ciała z wykorzystaniem techniki rezonansu magnetycznego. Był to obraz ludzkiego palca.

 

 

Oczyszczanie gazów odlotowych z użyciem wiązki elektronów

 

Schemat instalacji oczyszczania gazów odlotowych metodą wiązki elektronowej

 

 

Analizator stężenia NOX, SO2, O3 (EBARA) 

 Komora naświetleń gazów odlotowych wiązką elektronów

 (EC Kawęczyn Warszawa)

 

Wycieczka do Ciepłowni - 19.11.2003
Zwiedzanie pierwszej w Świecie instalacji oczyszczania gazów odlotowych metodą radiacyjną

 

 A.Chmielewski, R.Kupczak, et al., On-line Monitoring System of Suflar and Nitric Compounds, Soltan  Institute  for Nuclear Studies, Annual Report 1990.

J.Szlachciak, R.Kupczak, et al.,  Monitoring and Control System for Pilot SO  and NO remowing Installation  in the Electric and Thermal Power Plant in Kaweczyn 1991 Jachranka,

J.Szlachciak,R.Kupczak et al., Monotoring and Control System for EB Flue Gas Treatment Pilot Plant, Part II, PC Based Data Acquisition System Radiaton Physies and Chemistry, vol.40, No.4, Pergamon Press LTD, 1992.

 

 Wycieczka do Cyklotronu Warszawskiego - 3.12.2003

 

Zadania:

1. Ogólny opis eksperymentu w CERNIE - zarezerwowany

2. Opis detektora LHCb - CERN

3. Detekcja radonu

4. Detektor scyntylacyjny + fotopowielacz (prezentacja wykonana techniką flash)

5. Analiza dokładności pomiarowych amplitudy i czasu dla 8-mio bitowego FADC - zarezerwowany

6. Odczyt parametru z piku spektrometrycznego

7. Kalibracja torów pomiarowych

8. Dawki promieniowania - definicje, dawki szkodliwe

9. Rezonans jądrowy - animacja flash

10. Wzbudzanie rezonansu protonowego - animacja flash

11. Dyskryminator okienkowy (analizator jednokanałowy) - animacja flash

 

 

CERN - wkład Polaków
Bezpieczna praca  ze źródłami - przepisy
Boska cząska
Fizyka (też jądrowa)
Układ okresowy pierwiastków

 Fizyka w szkole   http://fizykaturek.republika.pl/index.html

 Ciekawostki z elektroniki

http://www.elektronet.gower.pl/

 Standard RS-232

http://www.elektronet.gower.pl/pc012.htm

 Standard RS-485

http://www.elektronet.gower.pl/pc016.htm