Tillämpningar av kärnfysik

Transkript

1 Tillämpningar av kärnfysik Medicinsk användning Acceleratorbaserade tillämpningar, jonstrålemetoder Accelerators can be classified into different principle designs, but all principles are of course based on the only known method to accelerate a particle: to charge it and then apply an electrical field. Nov 10, 2010 Overview of Accelerators Experimental tools in Physics Charge changer; stripper gas or foil -q1 +q2 Nov 10, 2009 Overview of Accelerators Experimental tools in Physics Ion source, negative ions 2. Tandem accelerator, ion source outside tank + High Voltage U Electrostatic Accelerators Experimental tools in Physics E=(q2 + q1)*u (ev) 1

2 The Lawrence type of accelerator is called cyclotron and the principle is illustrated: In the synchrotron, also invented by McMillan and Veksler -- the massive magnet is replaced by a ring of bending magnets. Both the RF-field and the magnetic field are varied. The principle is shown in the figure Within a flat, cylindrical vacuum chamber placed between the poles of a dipole magnet are two D-shaped electrodes consisting of hollow, flat half-cylinders. Energies possible to obtain with protons are up to MeV. The advantage of a cyclotron compared to an electrostatic accelerator is that a much higher beam current (tens of ma) is available from a cyclotron. The disadvantages of the cyclotron are that the beam is pulsed, it is difficult to change the beam energy and normally this change cannot be done continuously. The energy resolution of the beam is also much worse compared to the electrostatic accelerator Nov 10, 2009 Overview of Accelerators Experimental tools in Physics Nov 10, 2009 Overview of Accelerators Experimental tools in Physics Colliding Beam System The next large energy step was made by a colliding beam system introduced in the late 60's. In particle collisions only the center-of-mass energy is useful. For fixed target accelerators this means that the main part of the particle energy will be wasted as kinetic energy of colliding particles and their reaction products. On the contrary, if two particles with the same momentum that move in opposite directions are made to collide, all the available energy can be made use of in the interaction. An example is the CERN Intersecting Storage Rings (ISR) in operation with two beams of 28 GeV in two interlacing storage rings 300 m making collision at 8 positions. The 56 GeV center of mass energy is equivalent to a beam energy of 1700 GeV against a fixed target. Jonstråletekniker Materialmodifiering (..) Jonstråleanalys: PIXE RBS NRA AMS Neutronspridning Spallation, ESS Nov 10, 2009 Overview of Accelerators Experimental tools in Physics 2

3 Ion Beam Analysis Mikrostråleacceleratorn i Lund Hur fokuserar man protoner? Tillämpningar med extremt låg strålintensitet Deflecting/ analyzing magnet Princip Accelerator Object slits Aperture slits Quadrupole lenses Chamber of analysis 3

4 Magnetisk fokuseringslins Oxford new q-pole Q-pole focusing Karaktäristisk röntgenstrålnng Characteristic X-rays incoming radiation creates vacancies in the inner electron shells the vacancy is filled and characteristic photons (X) are emitted. Due to the systematic order of the electron shells the elements may be identified from the X-ray energies. Particle Induced X-ray Emission, PIXE 4

5 PIXE spectrum Shell model Hud Tycho Brahes hårstrå P S Cl K Ti NANODERM: EUprojekt för att undersöka risker med eventuell penetration av nm-stora Ti-partiklar genom hud 5

6 Från gravöppningen i Prag 2010 Kistan öppnad Kraniet med skägg Back-scattering 6

7 RBS - princip Rutherford Back Scattering Coulombspridning Enkel kinematik Energiförlust i materialet PIGE Karakteristisk γ-strålning mäts. Traditionellt använt vid mätning på tjocka prov, d.v.s. partikelstrålen stoppas i provet. Något högre energier än vid normal PIXE-analys. Med PIGE går det att detektera Li, B, F, Na, Al, Si och P. Typiskt PIGE- spektrum från ett tjockt prov, upptaget med en Ge-detektor. Single Ion Hit Facility extrem lågdosbestrålning vacuum area focused ion beam vacuum window e - or light detector cell culture dish dish window cell Bestrålning av enskilda celler med enstaka joner Helt ny teknik för att undersöka biologiska effekter av extrem lågdosbestrålning hur reagerar individuella celler? Accelerator som ger protoner, alfapartiklar eller tyngre med en energi av ett par MeV/nukleon. Använd låg intensitet; ett par joner/s. Extrahera genom ett vakuumfönster och låt varje cell träffas av högst en jon. Håll reda på vilka celler som träffats och var. 7

8 Acceleratormasspektrometri - att räkna atomer istället för sönderfall - med tillämpningar från himmel till jord Kristina Stenström, Avd för kärnfysik Modernt kol 99% 12 C 1% 13 C % C CO 2 CO 2 O 2 O 2 CO 2 Kosmisk strålning + N (kväve-) CO 2 O 2 C (kol-) C + O 2 CO 2 1 gram modernt kol Hur kan man mäta C? sönderfall/minut C N+β β -strålning 60 miljarder atomer Räkna atomer effektivast! O 2 C N + β -strålning T 1/2 =5730 år AMS Räkna atomer med AMS: en förfinad masspektrometer C variationer Jonkälla med kolprov 3 MV tandemaccelerator Dipolmagneter Partikeldetektor Hastighetsfilter Mass-separator Mäter C/ 13 C: ger aktivitet ( ålder) Mättid: ca 20 min/prov Detektionsgräns: <1 attomol C Provmängd: 1 mg kol 8

9 Kristi svepning Ismannen från alperna 5300 år Utsläpp av C från kärnkraftsindustrin CO år Åldern har fastställts med C-datering med acceleratormasspektrometri (AMS) STRÅLDOS??? Utsläpp, spridning och upptag av C mäts med AMS!!! ESS The European Spallation Source ESS: What? The next generation neutron scattering facility for Europe The most powerful neutron scattering facility in the world 9

10 ESS: How? GeV protons 10 MW average beam power 1 long pulse target station (16.6 Hz, 2 ms) W-target (Liquid metal targets; 1 m 3 Hg, PbBi or Pb?) Why neutrons? (1) The neutron has a wavelength (Å) and an energy (mev) comparable to typical atomic spacings and vibrational energies - so you can study both atomic structure and dynamics (simultaneously if required) Neutrons tell you where the atoms are and what the atoms do (Nobel Prize citation for Brockhouse and Shull 1994) Why neutrons? (2) The neutron scattering cross-section varies randomly through the periodic table and is isotope dependent d - distinguish light and heavy atoms or atoms of similar Z enabling the technique of isotopic substitution/contrast variation Why neutrons? (5) The neutron has a magnetic moment but no charge - enabling studies of magnetic structure and dynamics 10

11 Spallation MeV/useful neutrons (1.3 GeV protons on Pb) Ideally suited for pulsed operation. ESS accelerator Super Conducting Based on CONCERT-2000 Target area Kärnfysik, fördjupningskurs (FKF021) HT, LP1 Syfte Kursen är den första fördjupningskursen inom inriktningen ik i mot Subatomär fysik och bygger på en grundläggande introduktionskurs (t.ex. FAF270). Syftet är att ge fördjupade kunskaper om atomkärnans fysik genom ett kvantmekaniskt betraktelsesätt. Speciellt behandlas olika modeller av hur kärna är uppbyggd, sönderfallsprocesser och kärnreaktioner Innehåll Kärnkrafterna och nukleonernas uppbyggnad. Kärnmodeller. Det radioaktiva sönderfallet, alfa-, beta- och gamma- emission. Kärnreaktioner. Fission och fusion. Litteratur Krane, K.S.: Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons ISBN X Laborationshandledningar (distribueras av institutionen). 11

12 Experimentella verktyg i subatomär fysik (FKFN05). HT /LP2 Statistics and data handling, Peter Ekström ~1week,4h lectures + 2-4h help in problem solving Examination: hand in problems Radiation sources, accelerators. Jan Pallon, Kristina Stenström, Anders Oskarsson and Sverker Swerin ~ 1 week, 8h lectures Examination: hand in problems and specialized study N-students Electronics for physicsists ~ 3 weeks, 16h lectures, 2 full lab 3 day project on electronics IRL Examination: written exam. Lab work + lab reports Project report LTH students Radiation detection and measurement ~3 weeks, 7 tutorials (1h), computer simulation, full day lab + half day lab Examination: Activity in tutorials (home exam if not sufficient). Lab work + report, simulation problem Tillämpad subatomär fysik (FKFN01) VT /LP1 Syfte Kursens syfte är att visa på de möjligheter som finns att utnyttja kunskaper i kärnfysik och kärnfysikalisk mätteknik som redskap inom andra discipliner. Innehåll Kursen fokuserar på fyra huvudmoment av tillämpningar av den subatomära fysiken: Jonstråleanalys och AMS föreläsningar, laborationer Neutronfysik, neutronspridningsfysik med tillämpningar samt ESS - föreläsningar, projekt Fissionsreaktorteori tutorials (diskussionsgrupp), studiebesök. Medicinska och tekniska tillämpningar av kärnfysiken uppsats, seminarium. Reaktorfysik (FKFN01) VT /LP2 Syfte Kursens syfte är att ge fördjupade om moderna reaktorers uppbyggnad och funktion, neutronfysik för reaktorer och ge en introduktion till säkerhetsanalys för stora anläggningar. Syftet är att belysa och lyfta fram relevanta frågeställningar inom (industriell) reaktorteknologi och bränslehantering. Innehåll Neutronfysik, neutronspridningsfysik med relevans för reaktorfysik - tutorials, projekt Fissionsreaktorteori, härddesign, reaktordynamik och bränsleoptimering tutorials, laboration, studiebesök (Oskarshamn, Ringhals) Strålskyddsövervakning och instrumentering för neutronmonitering, partikulära och gasformiga utsläpp och en introduktion till säkerhetsanalys för stora anläggningar uppsats, seminarium. Modern subatomär fysik (FKF070) VT/ LP2 Syfte Kursens syfte är att ge en introduktion i till den subatomära grundforskningen och presentera dagsaktuella forskningsproblem. Innehåll Modern subatomär fysik är ett mycket brett och aktivt forskningsområde som omfattar allt mellan fotoninducerade reaktioner till frågan om kvark-gluonplasmats påvisbarhet. För att illustrera de modeller och kärnreaktioner som används i dagens subatomära forskning följer vi under kursens gång några aktuella projekt (med anknytning till Lund) från planeringsstadiet, t via experiment och dataanalys till den slutliga uttolkningen och jämförelser med teorin. Förutsatta förkunskaper: Kärnfysik FKF021 (fördjupningskurs) eller motsvarande. 12