Primjena Plemenitog Plina Na Detektore Zracenja

7/25/2019 Primjena Plemenitog Plina Na Detektore Zracenja

http://slidepdf.com/reader/full/primjena-plemenitog-plina-na-detektore-zracenja 1/23

Ovdje napisi koji fakultet

PRIMJENA PLEMENITOG PLINA NADETERKTORE ZRAENJA

Mento!" p!of# $tudenti" %a!is &osnjakovi'

Is(et Ku)i'

$uad %alila)i'

Aldin %usak

Ne!(in *o!ali+



&i,a+- janua! ./01# )odine

$ad!2aj

1.Uvod….................................................................................................................... 3

2. Osnovne karakteristike plemenitih plinova za detektovanje medija ..................... 4 3. Primjene u fizici akceleracije ................................................................................ 9

3.1. onizacija kalorimetra ..................................................................................... 9

3.2. !"4# $%r kalorimetar ................................................................................. 1&

3.3. "'$"( $"r kalorimetar .............................................................................. 11

3.4. $)e scintilacijski kamlometar *+,- eksperiment ..................................... 12

4. Primjene u fizici neakceleracije ........................................................................... 13

4.1./remenska projekcijska komora te0no arona *"U( ........................ 13

4.1.1. azlu0ivanje svemira ......................................................................... 14

4.1.2.,neretsko razlu0ivanje....................................................................... 14

4.1.3. dentifikacija 0estica .......................................................................... 1

4.2. )+"(( Projekt ........................................................................................... 1

4.3. Potraa za tamnom materijom ..................................................................... 15

4.3.1. nterakcija sla6ih iona sa materijom .................................................. 15

4.3.2. 7etektori za istra8ivanje tamne materije ........................................... 1#

. Primjene u medicini za do6ivanje slike * P,' ................................................... 19

.1. 'e0ni ksenon compton P,' ......................................................................... 19



.2. 'e0ni ksenon 'O:P,' ............................................................................... 2&

;. eference ............................................................................................................. 22

0# 34OD

Plemeniti plinovi imaju izvrsne karakteristike < potre6ne za detektovanje

zra0enja< kao =to su velika provodljivost elektrona< niska > vrijednost< visoka stopa

proizvodnje fotona< visoka usto?a< visok 6roj @ 6ez trajno o=te?nja zra0enjem< i

otovo da nema orani0enja za veli0inu. Osim toa< sa plemenitim plinom se mo8e

ostvariti ultravisoko pro0i=?avanje. !adalje< multipliciranje elektrona i fotona je

mou?e u te0nom ksenonu.

Polavlje 2. ovori o osnovnim svojstvima plemenitih plinova za detektovanje

medija< koji se znatno razlikuju od onih u vodi i u molekularnoj teku?ini.

* +ozumder and Aatano< 2&&4. 7okazi koji su posmatrani u jednostavnim

plemenitim plinovima mou pomo?i prou0avanju u0inka ioniziraju?e zra0enja utvari. !ovo istra8ivanje detektora i razvoj detektora za ionizaciju i scintilaciju su

takoBe uvedene. (ljede?i tekst ovori o detektorima plemenitih plinova koji su

dizajnirani za primjenu u akceleratorskoj fizici i medicinskoj vizualizaciji . Ovo

uklju0uje nekoliko fenomena< kao naprimjer neutro fiziku< CD E eFG propadanje<

potrau za tamnom materijom i za primjenu medicinske vizualizacije< tomorafija

emisije pozitrona *P,'. !eki kalorimetri< vremenska projekcijska komora i

scintilacijski detektori su takoBe uklju0eni.

Uklju0ili smo samo nekoliko tema< za koje smo smatrali da su jedinstvene z6o

prostorno orani0enja. ( o6zirom na 6rojne eksperimentalne prijedloe za

kori=tenje detektora plemenitih plinova< pose6no za rijetka istra8ivanja< kao

naprimjer istra8ivanje tamne materije ili dvostruko:6eta propadanje< nedavna 6rza

evolucija detektora plemenitih plinova i povezanih tehnoloija zaslu8uju da sespomenu Ovo su prakti0ne tehnike detekcije istovremenim promatranjem



ionizacijskih i scintilacijskih sinala< detekcija /U/ fotona na niskim

temperaturama< tehnika pro0i=?avanja< itd.

!adalje< razvijene su velike tehnoloije detektovanja< detektor "U( araonteku?ine i 2& t )+"((H $)e detektor< njihova procjenjena zapremina dosti8e

(vjetsku odi=nju zapreminu proizvodnje "r i )e.

azvoj detektora takoBe je dao interesantne rezultate u podru0ju radijacijske fizike i

hemije kao nusprodukt. stra8ivanja tamne materije< naprimjer< poti0e nova<

razraBena mjerenja u interakciji vrlo:niskoenerentnih iona kondenzirano medija.

"tomski sudari u procjenjenom opseu enerije su prou0avani skoro pola stolje?a.

Iaviti se sporim enerijskim sudarom je teoretski veoma te=ko. !a primjer<

'homas:ermi model< lavni metod za rje=avanje sa sudarima sporih iona< postaje

neizvjesna u )e:)e sudaru ispod 1&ke/ * $indhard i ostali< 19;3. !ovi rezultati

koji ?e se do6iti s istra8ivanjem tamne materije ?e dati materijale za razvoj nove

teorije sudara u ekstremnom niskoeneretskoj reiji.

Ovdje< mislimo na rijetke teku?e plinove kao "r< %r i )e< osim ako nije drua0ije

navedeno. %arakteristike ionizacija i scintilacija Ae i !e su drua0ije od onih od "r<

%r i )e i o njima se ne raspravlja ovdje.

.#O$NO4NE KARAKTERI$TIKE PLEMENITOG PLINA NADETEKTORE MEDIJA

!ivoi enerije u 0vrstom aronu su prikazane =ematski na slici 31.1< i oni su u

6iti isti za plemenite plinove. Jedna od izvanrednih zna0ajki u kondenziranoj

fazi je postojanje provodljivo pojasa. Pojasni razmaci enerija u $ar i $)e su

14.3 9.2# e/< odnosno< izuzetno su ni8e od ionizacijsko potencijala

od 15.53 12.13 e/< odnosno u plinskoj fazi.



!adalje< eksciton nivoi se pojavljuju umjesto eksciton stanja atoma * Ialdini< 19;2K

Iealehole< 19;K (tein6erer i (chnepp< 19;5K "saf and (tein6erer< 1951K$aporte i ostali.< 19#& =to pokazuje masu ekscitona< mex, da iznosi 1–5 me,

gdje je me masa elektrona.

!anos 6rzine vd< za elektrone u $"r i $)e< < u kondenziranoj fazi su mnoo ve?e

od odovaraju?ih vrijednosti u plinskoj fazi< normalizirani pomo?u ,L!< z6o

formiranja provodljivo pojasa. Ovdje < , je elektri0no polje a ! je 6roj usto?e

atoma. %arakteristike $ar i $Me kao detektora medija su navedeni u ta6eli 31.1.

$lika 50#0# Ka!akte!istike La! i L6e kao detekto!a (edija

LA! l7e 8o((ent

E e/ 14.3 9.2#

W e/ 23.; 1.;

W ph e/ 19. 14 rel. A..

eML N i &.21 &.&;< &.13

μe cm2L/Ls 45 19&& "t '.P.

μh 1&N3 cm2L/Ls 3. "t '.P.

D⊥

cm2Ls ∼2& ∼#& "t 1 k/Lc

τ( ns 5 4.3

τ' ns 1;&& 22

τrec ns 4 "pparent

τth ns &.9 ;.

l ph cm ;; 29&

'.P. % #4 1;1

Dself cm2Ls 2.43 1&N

ρ Lcm3 1.4& 2.94 "t I.P.

n 1.41.5&ε& 1.2 1.94

adiation lentha cm 14 2.# "t 1 -e/

+oliere radius 6 cm 1& .5





nestaj pod električnim poljem i raspadanje pokazje dva

eksponen/ijala, kao one za > česti/e po!0ivanje ?isije

?ragmenta7 stoga sporo raspadanje je !ilo pripisano rekom!ina/iji )

;!ota i ostali, 1':',1'&-.

9isoke#@ ) linear energA trans?er- česti/e, >česti/e i ?isija

?ragmenata, dvije komponente raspadanja na 4 i 22 ns, koje

odgovara vijek singleta i tripleta. #Br zapravo pokazje samo

dvije komponente raspadanja od : ns i 1.(Cs, predstavljaj%i

singlet i triplet, odnosno, z!og po!0ivanja elektrona, >česti/e i8sije ?ragmenata. sim toga, pro8l vremena pokazje porast

vremena od D1ns i nekoliko ns, odnosno za pro!0ivanje elektrona

#Br i #$e , koje odgovara termaliza/iji vremena

) <ita/hi i ostali, 1'3-. Easpadanje o!lika tako0e pokazje da se

rekom!ina/ija stazi teškog iona dešava !rFe nego

terminaliza/iji #Br i #$e. re!a spomenti da je pročiš%avanjetek%ina vaFno za mjerenje vremena raspadanja.

o!ra rezol/ija energije se moFe do!iti dodavanjemtraga

molekla plemenite plinove. 6etoda, to jest, ioniza/ija

posredstvom slike )Bnderson, 1'(7 *zki i

ostali7, 1'(a,!7 #a9erne i ostali., 1''(- je pose!no korisna za

teške ione kojima je prikpljanje na!oja teško. =deja je, mjesto

da se zimaj elektroni iz jakog /ilindričnog električnog polja

pozitivnih iona stazi teškog iona, da se parovi elektronion rašire

/ijeli detektor i izoliraj jedan od drgih. */intila/ija vv ?otona

proizvedena srFi staze iona nosi energij i prenosi na dopiran

molekl daleko od staze.



*/intila/ijski prenosi do!iveni za relativističke, teške ione

)DGe9Hn-, Ie, Je, ;r, i #a nis iste i ne

pokazj sz!ijanje ) tj. ?aktor sz!ijanja K L 1-. lemeniti plinovi

s najjači s/intilatori protiv po!ne visoke gsto%e, sz!ijanje

me0 s/intilatorima čvrstim i tek%im ?azama. */intila/ijski

prinosi za >česti/e, ?isij ?ragmenata i relativističke B s manji

z!og sz!ijanja. *lični rezltati s do!iveni i za #$e ) anaka i

ostali, 2&&1-. */intila/ijski prinos za elektrone < ione s tako0e

mali ne z!og sz!ijanja nego z!og nedovoljne rekom!ina/ije

) !ijeg elektrona-. Fina terminaliza/ije plemenitim plinovima je

velika i neki elektroni se ne rekom!iniraj ntar o!ičajenog

promatranja vremena ili id na zid.

M!ir signala za ove niske #@J česti/e postaj iste kao i za one

relativističke teške ione !ez sz!ijanja. Nirksmodel s/intila/ije

sz!ijanja se ne primjenjje na plemenite plinove ) Nirks, 1'(4-.

ove%anje s/intila/ijom je prijavljena #Br sa aplika/ijom

električnog polja od nekoliko k9H/m )<ita/hi et al., 1':, 1''2a,

2&&27 #a9erne et al., 1''(-. ove%anje se javlja polj mnogo

niFem nego onom koje je potre!no za s/intila/ij

) 1&(9H/m- i to se pripisje oporavk od sz!ijanja podrčj

po!ne visoke gsto%e staze visokog iona. rimjenjeno električno

polje moFe pomi/ati distri!/ij negativnih i pozitivnih promjena,

čime se posljedično red/ira po!0ivanje gsto%e, kao rezltat

sz!ijanja.

lemeniti plin, načel, tre!a !iti transparentan prema vlastitom

s/intila/ijskom svjetl z!og mehanizama s/intila/ije kroz stanjeeks/imetra, E2. 6e0tim, mog%i zaga0ivači plemenitim



plinovima , kao naprimjer oksigen na ppm razini, znatno apsor!ira

s/intila/ijske ?otone. )Oatana!e and MelikoP, 1'537 Oatana!e et

al., 1'53-. *pektar apsorp/ije vode i oksigena veliko se poklapa

sa ksenon s/intila/ijskim spektrom. =zgleda , da je voda najgori

onečiš%ivač. Nd%i da voda ima tenden/ij da apsor!ira svjetlo

sa kra%im dFnim valovima, samo spoj sa ve%im dFnim valovima

preFivljava dg daljenost. Iadalje, klanjanje radioaktivnih

nečisto%a je veoma vaFno za rijetka istraFivanja, kao napimjer

netrino dvostrko!eta raspadanje ili istraFivanje tamne materije.

5# PRIMJENE 3 9IZI8I AK8ELERA8IJE

5#0# IONIZA8IJ$KI KALORIMETAR

Prva primjena plemenitih plinova u fizici< u esksperimentima 0estica< 6ila je uo6liku kalorimetra 1< ureBaj koji mjeri eneriju visoko eneretskih 0estica ili F zraka.

%alorimetar mora u potpunosti da apsor6ira ulazne 0estice i sve sekundarne 0estice

unutar svo osjetljivo volumena. %alorimetar ionizacije plemenitih plinova je

1 %alorimetri se o6i0no klasificira kao elektromanetni ili hadronski kalometri.,lektromanetni kalorimetar je pose6no dizajniran za mjerenje enerije 0estica koje djelujumeBuso6no prvenstveno putem elektromanetne interakcije< dok je hadronski kalorimetar

namijenjen za mjerenje 0estica koje djeluju putem jake< nuklearne sile. sti detektor medija isli0ne tehnike se mou koristiti< ali odovori su drua0iji u o6a slu0aja.



razvijen kao pro6ni kalorimetar koji se sastoji od sistema elektroda sa vi=e

paralelnih plo0a * pasivni medij uronjen u plemeniti plin * aktivni medij < kao =to

je prikazano na slici 31.1&.

$lika 50#0/# 4i:eslojna konfi)u!a'ija kalo!i(et!a ple(enito) plina

$"r se< meBu plemenitim plinovima < naj0e=?e koristi za ovu vrstu detektovanja jer

je z6o svoje jeftine cijene< dostupan u velikim koli0inama . Prednost kalorimetra

ionizacije plemenitih plinova je da se 6ilo kakav o6lik detektora mo8e formirati

ovisno o eksperimentu.

!adalje< lako je odrediti pozicijsku raspodjelu talo8enja enerije koja se do6ila iz

0estica koje su u=le pomo?u elektroda razli0itih usmjerenja o6lo8ene na izoliranu

traku< kao to su tiskane plo0e.

@atim< veoma precizno se mo8e predvidjeti odreBivanje smjera ulaznih 0estica<

ta0ka pretvaranja 0estica i identifikacija 0estica .

!edostatak kalorimetra ionizacije plemenitih plinova je njihovo sporo vrijeme

reaovanja< to jest< interacija vremena da se prikupi pun na6oj< koji proizilazi iz

plutanja elektrona * td u teku?ini je jako dua. azmak teku?ina u kalorimetru

ionizacije plemenitih plinova je nekoliko mm.'akozvano po0etno< trenutno

mjerenje< koje koristi mnoo manje vrijeme interacije od td < uvedeno je kako 6i se

oplemenila ova sla6a ta0ka *"u6ert i ostali<1991. !ema velike razlike u rezoluciji



enerije meBu metodama pune interacije i po0etno<trenutno mjerenja. 7akle<

utemeljen je * takozvani homoeni kalorimetar plemenitih plinova

5#.# NA;< LK! KALORIMETAR

7o6ar primjer djelovanja takozvano homoeno kalorimetra se mo8e vidjeti iz

eksperimenta !"4# koji se provodi na ,! 2< koji koristi svoj super proton

sinhrotron * (P( akcelerator . ilj eksperimenta !"4# je precizno mjerenje

direktno kr=enja P u sistemu neutralno kaona kao i mjerenje veoma rijetko %( .

* anti i ostali<1999.K $ai i ostali< 2&&3.K IatleQ i ostali< 2&&9.. !eutralni kaoni se

proizvode na dvije strane koje se nalaze na razli0itim udaljenostima od detektora<

0ime stvaraju istodo6no snop %$ i %( za naru=avanje P eksperimenta.

Ovaj eksperiment se izvodi za mjerenje raspada kaona iz ova dva snopa u dva

neutralna ili dva piona . 7etektiranje fotona iz raspadanja neutralno piona je

postinuto pomo?u kalorimetra $%r.

5#5# ATLA$ LA! KALORIMETAR

,ksperimenti $A * $are Aadron ollider: /eliki hadronski sudara0 su zapo0eti

2&&#. odine u ,!:u. Optimizacija detektora je pokrenuta zahtjevom da se

otkriju nove 0estice< pose6no raspadanje Aisov 6ozona 3 na dva fotona ili 0etiri

elektrona< u rasponu mase od 9& do 1#&-e/. "'$"( eksperiment tre6ao 6i izmjeriti

Aismass sa 1R precizno=?u koriste?i samo kalorimetarski sistem. 'ehnoloija

2 ,uropska oranizacija za nuklearna istra8ivanja

3 Aisov 6ozon je jedina 0estica prema (tandarnom modelu koja jo= nije posmatrana.

,ksperimentalno otkrivanje Aisovo 6ozona ?e pomo?i o6jasniti porijeklo mase usvemiru.



koja je iza6rana za "'$"( elektromanetni kalorimetar je P6L$"r sa elektrodama u

o6liku harmonike i apsor6erima. $"r je iza6ran z6o svo unutra=nje< linearno

pona=anja< sta6ilnosti reaovanja tokom vremena< i tolerancije zra0enja. "'$"(

$ar kalorimetarski sistem se sastoji od elektromanetno kalorimetra u o6liku cijevi

i i dva kriostata sa elektromanetni*,+,< hadronskim * A, kalorimetrom.

*slika 31.13

$lika 50#05 ATLA$ LA! kalo!i(eta!

5#; L6e $8INTILA8IJ$KI KALORIMETAR = MEG EK$PERIMENT>

+,- eksperiment istra8uje rijekta raspadanja miona< DSEeSF< koja su za6ranjena

u (tandardnom modelu. !ekoliko novih teorija izvan (tandardno modela

predviBaju razranat omjer raspadanja ispod trenutne< eksperimentalne ranice<

odnosno 1.2 1&N12 * Iooks i ostali< 1999. . +,- eksperiment cilja osjetljivost

od 1&:14 * +ori< 1999. < dje su ve?ina predviBanja o6uhva?ena. Otkri?e raspadanja

miona je novi ispit za novu fiziku izvan (tandardno modela. aspadanje DS E

eSF je doaBaj koji se odlikuje stanjem sa dva jasna tijela u kojem se raspadanje

pozitrona i F zraka emituje u suprotnim smjerovima sa enerijama koje su jednake

polovici mase miona *, T 2.#+e/. 7ok pozitrona iz ove enerije ima u izo6ilju

za razliku od standardno +ichaelovo raspadanja miona < F zrake sa tako visokim

enerijama su veoma rijetke. 7akle< klju0ni zahtjev za +,- detektor je visoka



eneretska rezolucija F zraka< 6udu?i da se slu0ajna pozadinska stopa smanjuje<

6arem za kvadrat eneretske rezolucije * +ori< 1999.

zvrsna svojstva $)e kao scintilatora i razvoj novih P+' sa visokom kvantnomu0inkovito=?u< 6rzim vremenom i njihovom mou?no=?u rada u $)e< motivirali su

iz6or detektora za +,- eksperiment. (a )e scintilacijskim svjetlom detektovanim

pomo?u veliko 6roja P+' uronjenih u te0nost< eneretsko razlu0ivanje detektora

je proporcionalna 1L!pe dje je !pe 6roj fotoelektrona i procjenjuje se da je 6olji

od 1R *1 za 2.# m,v F zraka * 7oke i +asuda < 1999 .Osim toa< ta0ke

interakcije F zrake se takoBe mou odrediti iz distri6ucije svjetla na svakom P+'

* +ori< 1999. !akon istra8ivanja i razvoja malo prototipa * +ihaa i ostali< 2&&2 i

sa 6udu?im po6olj=anjima na metalnom P+'< veliki prototip $)e detektora sa 22#

P+' od 2 in0a je napravljen i testiran sa 1& :&#3+e/ F zraka * +ihara< 2&&4.

7etektor i odovaraju?i ureBaj za hlaBenje i pro0i=?avanje< prikazan na slici 31.1.<

testiran je na Paul (cherrer nstitutu u Vvicarskoj dje je i smje=ten finalni +,-

eksperiment.

mpulsna tu6a ureBaja za hlaBenje * P' je upotre6ljena prvi put kako 6i

kondenzirala )e as i odr8ala temperaturu teku?ine sta6ilnom tokom du8e

razdo6lja. P'< optimiziran na $Me temperaturi< ima snau hlaBenja od 1#9> * na

1;% * AaruQama< 2&&2. Prototip je 6io dovoljno velik da se testiraju i pouzdanost

i sta6ilnost krioeno sistema koji se 6azira na P' i u0inkovitost sistema

pro0i=?avanja koji je potre6an za rad kalorimeta.



$lika 50#01# P!ototip detekto!a L6e ? @!aka # PMT su instali!ani na pov!:ina p!avou)la na Bv!sto(

d!2aBu# = Mi,a!a- 8!Co)eni's-;;-..5-.//;#>

;# PRIMJENA 3 9IZI8I NE AK8ELERA8IJE

;#0# 4REMEN$KA PROJEK8IJ$KA KOMORA TENOG ARGONA

= I8AR3$ >

.u66ia je prvi put 1955. odine predlo8ila tehnoloiju $"r 'P * u66ia< 1955.

Ona kom6inira karakteristike 6alon komore sa prednostima elektri0no o0itavanja.W

potpuno je i neprekidno osjetljivo< samo se pokre?e< i u mou?nosti je da pru8i

trodimenzionalni poled ionizirajnja sa identifikacijom 0estica od d,LdM i mjerenja

opsea. Ovaj detektor je takoBe super kalorimetar< vrlo fine ranulacije i velike preciznosti. "U( projekt predviBa kori=tenje $"r 'P detektora za istra8ivanje

i studije neutrona iz razli0itih izvora< kao i istra8ivanja raspadanja protona. Ova

tehnika detektovanja nudi 37 sliku sa zrncima za pra?enje i kalometrijsko mjerenje

sa elektronskim detektorom. @ahvaljuju?i tome< ono nam daje do6ra mjerenja u

=irokom rasponu enerije neutrina ili mjerenja visoke u0inkovitosti < napimjer<

raspadanje protona.



;#0#0#RAZL3I4ANJE $4EMIRA

(vemirski mioni koji prolaze kroz detektor su kori=teni za procjenu jedne ta0ke

rezolucije svemira uz nanose koordinata *z. /rijednost od oko 1&Dm su norma i

0ini se da su neovisni na polju. Umjesto toa< z mnoo ovisi o omjeru sinal:6uka

*X1& u slu0aju "U( . azlu0ivost svemira je na due dvije koordinate stroo

povezana 8icom *pW M<Q X pL 12.

;#0#.# ENERGET$KO RAZL3I4ANJE

Pomo?u kosmi0kih miona< raspodjela na6oja deponirana preko 2mm je izmjerena .

!jeova =irina je vijua $andau funkcije sa -aussovom elektronskom 6ukom i

izravno je povezana sa eneretskom razlu0ivosti deponirane ionizacije. Uspored6a

sa distri6ucijom pokazuje da je 6uka lavni doprinos =irini.

7akle< eneretska razlu0ivost od X 1&R preko 2mm je tipi0na vrijednost u

prototipu 3 t detektora. ,neretska razlu0ivost u +ev raspnu je takoBe ocjenjena

prou0avanjem u ompton spektru # !ajvi=e odovara razlu0ivost od 5R na 4+ev u

doovoru sa kalorimetrijskim mjerenjem koje nalazimo u literaturi.

;#0#5# IDENTI9IKA8IJA E$TI8A

dentifikacija 0estica < oso6ina od 6itno zna0aja< direktno je povezana sa

sposo6no=?u mjerenja d,LdM vrijednosti uz raspon zaustavne 0estice. (tudija

kosmi0kih miona i zaustavljanja protona u prototipu 3t < pokazala je da deponovan

na6oj nije proporcionalan deponovanoj eneriji z6o efekta rekom6inacije elektron:

ion koja 0vrsto ovisi o usto?i ionozacije. "U( projekt je pokazao izvodljivost



tehnoloije opse8nim Y7 proramom< koji uklju0uje desetoodi=nje istra8ivanje

na malim volumenima $"r * dokaz na0ela< metode pro0i=?avanja $"r< =eme

o0itavanja i elektronika i petoodi=nje istra8ivanje nekoliko prototipova pove?anja

mase * tehnoloija pro0i=?avanja< prikupljanje fizi0kih pojava< uzorak

raspoznavanja< i tehnoloija o0itavanja. !ajve?i od ovih ureBaja imao je

naomilanost od 3t $"r * Ienetti i ostali< 1993a<6K ennini i ostali< 1994 i radio je

nesprestano vi=e od 4 odine < skupljaju?i velike uzorke kosmi0kih zraka i izvore F

pojava. !adalje< manji ureBaj *&$ $"r * "rneodo i ostali< 2&&; 6io je izlo8en

,! snopu neutrina< pokazuju?i visoku sposo6nost odo6ravanja tehnika za

interakcijske pojave neutrina. !akon toa< projekt je u=ao u industrijsku fazu <

o6avezan put prema realizaciji detektora veliko volumena za astrofiziku 0estica i

neutrina.

;#.# 6MA$$ PROJEKT

Prednost $)e je ta =to )e nema izotop sa 8ivotnim vijekom du8i od nekoliko

mjeseci. !ajdu8i izotop je 125)e sa poluvijekom od 3;.4 dana koji se raspada

hvatanjem elektrona sa Z vrijedno=?u od &.;;4+e/. 7rui najve?i izotop je 131)e

sa 8ivotnim vijekom od 11.# dana. (toa< eksperimenti sa rijetkim pojavama * kao

naprimjer istra8ivanja o tamnoj materiji i dvostruki:6eta raspad mou se provesti

odmah nakon pomjeranja ksenona s povr=ine.

Prema tome< kozmoeni0ka proizvodnja izotopa )e nije oz6iljan pro6lem. Jedan od

lavnih izvora pozadine je prisutnost traova radioaktivnih ne0isto?a< kao =to je

#%r.

)+"(( projekt ima za cilj vi=enamjensku detekciju< koja promatra< ne samo tamnu

materiju< neo i pp i 5Ie solarnih neutrina< koji (uper:%amiokande ne mo8e





;#5# POTRAGA ZA TAMNOM MATERIJOM

/e?ina sastavnih materija u svemiru je tamna < 6ez emisije< apsorpcije< pa 0ak ni raspr=enja

svjetlosti. 'o je < ustvari< transparentno. 1933.odine < @[ickQ je uo0io kako je 6rzina rotacije

alaksije u oma klasteru ve?a od o0ekivane iz virialne teoreme i o6javio je da svemir sadr8ivi=e materija neo je to zaklju0eno nakon opti0kih promatranja * @[ickQ < 1933. 7odatni

znanstveni dokazi potvrBuju ovo viBenjeW 6rzina rotacije u alaksiji< ravitacijsko so0ivo<

mikrovalna zra0enja < pa 0ak i o6lici tankih alaksija koje tre6aju neviBenu masu kako 6i

sprije0ili uru=avanje alaksija. !evidljiva tamna materija iznosi 0etvrtinu svemira. O6i0na

materija 0ini samo 4R. Ostatak< D53R tre6ao 6i da 6ude tamna materija.

!a= (un0ev sistem putuje oko alakti0ko centra na oko 23& kmLs * (perel< 19##. >+P su

okolne alaksije. !au0nici su u potrazi za iz6ojem jezri nekoliko desetina ke/ enerije< koja je proizvela elasti0no raspr=enje >+P. +eButim< ovaj doaBaj je veoma rijedak *\1&N2 to

1&N4LkLdaQ. -otovo svi proizvedeni sinali < 0ak i u podzemnom detektoru< z6o svoje

pozadine su ve?inom F zrake. !astala kineti0ka enerija spektra< nastala iz odsko0nih iona< ne?e

6iti monokromatska< ali se mo8e re?i da je sli0na eksponencijalnoj. izlo8enost *masa vrijeme

i mou?nost razlikovnja >+P sinala iz pozadine je jako 6itno. Plemeniti plinovi imaki odli0nu

sposo6nost diskriminirati sinale iz6oja jezri od F pozadine koriste?i i ionizaciju i scintilaciju< i

mou pru8iti veliku mou?nost direktno posmatranja tamne materije u alaksiji.

;#5#0# INTERAK8IJA $LA&I% IONA $A MATERIJOM

+ehanizam interakcije za odskok iona od nekoliko desetina ke/ enerije sa materijom se

znatno razlikuje od 6rzih iona . !uklearno zaustavljanje (nc < koje mo8e 6iti zanemareno u sudaru

6rzih iona< postaje usporedivo sa ili ve?e neo elektronsko zaustavljanje. Ukupno zaustavljanje

(t se mo8e izraziti kao suma ova dva. zuzev pote=ko?a u do6ivanju vrijednosti za (nc i (el zaspori sudar< jednostavan odnos< (t T (nc S (el < proizvode?i druu kompleksnost.

nterakciju sporih iona sa materijom je opse8no prou0avao $indhard i ostali * 19;3. !uklearni

proces prati uo6i0ajeni postupak utherfordovo raspr=enja. ,lektri0na interakcija se 6azira na

'homas:erni modelu.

1



;#5#.## DETEKTORI ZA I$TRAI4ANJE TAMNE MATERIJE

7etektori tamne materije su instalirani du6oko u podzemlju kako 6i se iz6jele kosmi0ke zrake <

kao =to je to prikazano< naprimjer< na slici 31.24. u polavlju . za )+"(( detektor tamne

materije koji se radi u %amioka rudniku. !eutroni visoke enerije iz rasprskivanja miona ustijeni su za=ti?eni sa spremnikom za vodu. -lavni detektor je promjera #&cm i #&&k $)e.

)+"(( se oslanja na =tit iz pozadinsko od6ijanja. /anjski sloj 2&cm $)e se koristi kao aktivni

=tit. )+"(( je vi=enamjenski detektor koji za cilj ima i solarne neutrine i dvostruko:6eta

raspadanje. inalne pozadine su neutrini sa sla6om enerijom ili dvostrukim:6eta raspadanjem.

'eoretski< F i odskok iona se mou razdvojiti posmatranjem razlika po o6liku raspadanja.

-lavna razlika u raspadanju je procesu rekom6inacije< koja se mo8e promijeniti sa enerijom

0estica u $)e. 7rui $Me detektor tamne materije oslanja se na scintilaciju i na6oj zaidentifikaciju 0estica. 7iskriminacija po o6liku raspadanja je mou?a u $"r i $!e. aspadanje

ne pokazuje komponente rekom6inacije neo sinlet i triplet stanja. /rijeme raspadanja za ova

stanja se razlikuje u nekoliko redova veli0ine. Ova razlika se mo8e iskoristiti za identifikaciju

0estica i pozadinsko od6ijanje. azlike u scintilacijskom raspadanju i scintilaciji i na6oju F i

trzaja iona se mou istovremeno koristiti u $ar.

'ipi0ni te0ni plin sa detektorom sa dvije faze < )+"(( < za >+P istra8ivanja je prikazana na

slici 31.25.

$lika 50#. Fe(atski p!ika@ 6MA$$ II p!ika@uju+i dual fa@u L6e dete!kto!a

1'



1# PRIMJENE 3 MEDI8INI ZA DO&I4ANJE $LIKA = PET>

P,' je tehnika slika koja se intenzivno primjenjuje u medicini. F zrake ispu=tene iz uni=tenja

pozitrona iz emitera raspr=anih po cijelom tijelu < se mjere i uzorak raspodjele pozitrona se

rekonstruira. O6i0no< P,' sistemi su izraBeni od mnoo scintilatorski kristala koje okru8ujutijelo koje tre6a da se slika. Parovi F zraka emitovani na otovo 1#&] iz ta0ke uni=tenja pozitrona

detektovani su od nekoliko detektora koji su smje=teni na o6je strane ta0ke uni=tenja. "ko je par

fotona detektovan istovremeno u o6a detektora< ta0ke interakcije pozitrona postoje nedje na

liniji izmeBu dva detektopora * osim raspr=enosti i slu0ajnih doaBaja .

1#0# TENI K$ENON 8OMPTON PET

/isoka u0inkovitost detektovanja i visoka stopa ra0unanja su neophodne za P,' detektor kako

6i se potisnula doza radijacije za pacijenta. 7odatni uslovi su do6ra enerija< pozicija i vrijeme

rezolucije da se diskriminiraju raspr=eni fotoni u pacijentu i da se smanji la8na podudarnost. $)e

'P sa scintilacijskim okida0em je prikladan za ovu svrhu. Po8eljno je da se ima 37

informacija o polo8aju doaBaja interakciju umjesto dvodimenzionalne < koja je tradicionalno

osiurana.

Ova dodatna oso6ina je od temeljne va8nosti za rje=avanje re=ke paralaksa < koji se javlja ako je

ta0ka uni=tenja pozitrona izvan centra detektora * prstena i uzrokuje poor=anje pozicije

rezolucije.

7ok je jedna ta0ka polo8aja rezolucije va8an parametar $)e P,' detektora< dvostruka ta0ka

rezolucije < tj.<najmanji razmak potre6an izmeBu dva izvora koja tek tre6aju da se razdvoje na

slici< je po8eljna. %ako je o6jasnio -i6oni i ostali * 2&&5< ova rezolucija dvostruke ta0ke zavisi

ne samo od polo8aja rezolucije neo i od statistike doaBaja izvora kao i od pozadina

nepovezanih doaBaja. !a slici< ovi faktori odreBuju kontrast osim pozadine iz pore=ne

ompton sekvencije. 'u postoji veoma jaka pozadina iz doaBaja izvorno uni=tenja pozitrona

sa 6arem jednom F zrakom ompton raspr=enja i prije izlaska iz pacijenta .

2&



1#.# TENI K$ENON TO9PET

(istem vremena leta * 'O mo8e mjeriti razliku dolaska u izmeBu dva vremena iz dvije ta0ke

uni=tenja koriste?i sljede?u jedna0inu W

dje X = cM)T1 −T2 -

2

) je ta0ka uni=tenja pozitrona

'1 i '2 su vrijeme dolaska F zraka

je 6rzina svjetlosti

'a0nost odreBivanja mjesta uni=tenja je odreBena vremenskom rezolucijom detektora. !aprimjer<kako 6i se postila pozicija rezolucije od 1.cm< potre6no je vrijeme rezolucije od 1&&ps

* >A+. +eButim< dana=nje vrijeme rezolucije aktualnih detektora je preko 3&ps< =to

odovara poziciji rezolucije na vi=e od cm. 7akle< 'O informacija ne dokazuje poziciju

rezolucije < ali se mo8e iskoistiti da se unaprijedi omjer sinal:6uka u rekonstruiranoj slici.

$)e kao scintilator je jedan od kandidata za 'O:P,' z6o svo 6rzo reaovanja i visoko

prinosa fotona. Prototip< koji se sastoji od dvije $)e komore ima $)e volumen od

12&M;&M;&mm3 od 32m2 P+' od 1 in0a. *Aamamatsu 9&&:&;"$12(:"((^ sa jedne strane

nepokrivena kao ulazni prozor za F zrake * slika 31.33a< !ishikido i ostali< 2&&4. Vematski

prikaz cijele strukture je prikazan na slici 31.336.

21



a.

6.

$lika 50#55#Fe(atski p!ika@ p!ototipa TO9PET a#> !aspo!ed 5. PMT u L7e H#>P!ika@ p!esjeka

7rui $)e P,' predlo8io je -allin:+artel i ostali * 2&&9 < primjenom metode svjetlosno

razdora kako 6i se izmjerila pozicija u aksijalnom smjeru. +eButim< prijavljena pozicija

rezolucije je 6ila oko 1&mm * >A+u centralnom dijelu< nije kompetetivna sa postinutim u

komercijalno dostupnom P,' kristalu. ezultati simulacije pokazuju mnoo 6olju u0inkovitost<

ali veliko odstupanje jo= nije o6ja=njeno.

Jasno je da< sve vi=e studija je du8no da uspostavi $)e omptonL'O detektor kao alternativu

klasi0nom P,' kristal sistemu. 7etektor zasnovan na $)e zahtjeva pose6an sistem * od

krioenike do rukovanja plinom i pro0i=?avanja < koje se o6i0no smatraju veoma slo8enim i

skupim< koji vode do nesklonosti u njihovom kori=tenju< pose6no kao sredstvo za dijanostiku u

medicini. U nekoliko posljednjih odina< meButim< mnoa zna0ajna tehni0ka napredovanja su

rezultirala velikim $)e sistemom detektovanja koji rade ve? duo mjeseci sa odli0nom i

sta6ilnom u0inkovito=?u. %onkretno< $)e detektori razmje=teni u podzemlje za istra8ivanja

tamne materije< dokazali su da duoro0na sta6ilnost< pouzdanost i siurnosna pitanja mou se

rije=iti povjeljivo.

22



RE9EREN8E"

1. "6e<%.<Aosaka< J.< ida<'. et al. 2&&9.7istillation of li_uid Menon to remove krQpton.

Astropart. Phys. 31W 29&29;.

2. "harrouche< +. 2&&5. 'he "'$"( li_uid aron calorimeterW onstruction< interation<commissionin andcom6ined test 6eam results. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect.

A #1W 35335;.3. "hlen< (. P. 19#&. 'heoretical and eMperimental aspects of the enerQ loss of relativistic

heavQ ionizin particles. Rev. Modern Phys. 2W 121153.

23

Documents

Primjena Plemenitog Plina Na Detektore Zracenja