Pomiary w Fizyce Jądrowej
konspekt wykładu
dr inż. Radomir Kupczak
All rights reserved
PROGRAM ZAJĘĆ
Niskie energie, wysokie energie,
DESY ZEUS (40-200 tys. Parametrów), CERN,
Detektory gazowe, półprzewodnikowe, scyntylatory,
Specyfika elektroniki dla rejestracji E, DE, pozycji, czasu przelotu.
Układy kaskadowe i teleskopowe detektorów.
Analiza amplitudy, kształtu , czasu narastania impulsu.
Kalibrowanie torów pomiarowych.
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.
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)
Systemy zabezpieczeń. Kontrola pomieszczeń i aparatury.
ich jednostki, pomiary i normy; zasady pracy ze źródłami i wiązkami promieniowania.
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).
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 |
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
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 |
Współpraca międzynarodowa |
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.
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 węgla. Komory 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
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
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.
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)
Systemy zabezpieczeń. Kontrola pomieszczeń i aparatury.
ich jednostki, pomiary i normy; zasady pracy ze źródłami i wiązkami promieniowania.
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 |
Standard RS-232 |
Standard RS-485 |