Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Билеты МРИ
.pdf
Билет 11.
1. Особенности регистрации гамма-излучения с энергией 10-100 МэВ.
В детекторах энергии и интенсивности гамма-квантов определяются не
непосредственно, а с помощью вторичных заряженных частиц (электронов и
позитронов), которые возникают в результате взаимодействия детектируемых
гамма-квантов с веществом детектора.
Когда гамма-квант попадает в детектор, заряженные частицы образуются в
результате трех процессов: фотоэффекта, эффекта Комптона и образования
электрон-позитронных пар.
В результате комптоновского рассеяния электронам передается только часть
энергии.
Ee = Eγ - Eγ´,
где E
γ
и Eγ´ – энергии гамма-квантов до и после рассеяния, Ee – энергия
фотоэлектрона, mc
2
– энергия покоя электрона, θ – угол рассеяния гамма кванта.
Максимальная энергия, которая в результате комптоновского рассеяния может
быть передана электрону (при θ = 180
о
),
В детекторах большого объема часть рассеянных гамма-квантов может
испытать еще одно или несколько неупругих взаимодействий, в результате
которых вся энергия попавшего в детектор первичного гамма-кванта будет
полностью поглощена. В связи с этим, фотопик обычно называют пиком
полного поглощения.
Пик обратного рассеяния связан с комптоновским рассеянием на материалах,
окружающих детектор под углом близким к 180о, которые затем попадают в
детектор и вызывают фотоэффект. Их энергия соответственно равна
Подобная энергия гамма-кванта превышает удвоенную массу электрона
2meс² = 1.02 МэВ, как следствие, возможен процесс образования пары, состоящей
из электрона и позитрона. Сечение рождения пары в поле ядра доминирует в
области высоких энергий фотонов. Так же в данной энергетической области
возможен процесс образования электрон-позитронных пар в поле атомарного
электрона. Его сечение меньше сечения процесса в поле ядра.
При этом вся энергия гамма-кванта передается электрону и позитрону. Если и
электрон и позитрон поглотятся в веществе детектора, то суммарный импульс
будет пропорционален энергии гамма-кванта и событие будет зафиксировано в
пике полного поглощения. Однако позитрон может проаннигилировать. При этом
образуются два гамма кванта, каждый с энергией 511 кэВ. Если один из этих
аннигиляционных гамма-квантов, не вступив во взаимодействие, вылетит из
детектора, то суммарная энергия поглощенная в детекторе будет
Eγ – 511 кэВ. Такие события будут вносить вклад в так называемый пик
одиночного вылета (см. рис.). Если из детектора вылетят оба аннигиляционных
гамма-кванта, то это событие будет зафаксировано в пике двойного вылета (Eγ –
1022 кэВ).
2. Методы регистрации нейтрино.
В зависимости от энергий и происхождения, детектирование нейтрино
происходит разными способами. Поэтому необходимо иметь представление о
том, откуда приходят к нам эти частицы. Надо помнить также основную
проблему работы с нейтрино − крайне слабое взаимодействие с веществом.
Самые многочисленные нейтрино − реликтовые. К сожалению, их энергия
крайне мала, и весь этот поток остается нами незамеченным. Далее идут
солнечные и геонейтрино − первые вполне поддаются регистрации на многих
детекторах, вторые же обыкновенно являются фоном. Следующими по
энергиям наблюдаются нейтрино от некоторых астрофизических процессов,
ускорителей и реакторов. Еще выше лежат энергии атмосферных нейтрино и
нейтрино, испускаемых квазарами. Потоки этих частиц с ростом энергий
убывают, что осложняет их детектирование. Некоторым облегчением
впрочем может послужить тот факт, что при росте энергий нейтрино растет и
их сечение взаимодействия с веществом.
Рис. Энергии различных видов нейтрино (для себя просто)
Методы, применяемые для регистрации нейтрино, очень сильно зависят от
их источника. В изучении различных нейтрино космического происхождения
одну из ключевых ролей играет черенковское детектирование. Оно требует
большого объема детектора, однако хорошо зарекомендовало себя. Принцип
работы данного метода следующий: ультрарелятивистское нейтрино в случае
взаимодействия с веществом порождает заряженный лептон сверхвысокой
энергии. Этот лептон, двигаясь со скоростью, превышающей скорость света в
среде, порождает излучение Вавилова-Черенкова, которое возможно
зафиксировать фотоумножителями. Этот метод используется в
детектировании нейтрино галактического и внегалактического
происхождения на так называемых нейтринных телескопах (Байкал, KM3Net,
ANTARES, IceCUBE), а также в знаменитых экспериментах по регистрации
солнечных нейтрино в Камиоке (Япония), о которых еще будет упомянуто
в дальнейшем.
В изучении реакторных нейтрино на данный момент используют
сцинтилляционные детекторы. В них используется захват антинейтрино
протоном с рождением позитрона и нейтрона. Одной из разработок в данном
направлении является iDREAM − промышленный детектор реакторных
антинейтрино.
В эксперименте OPERA для фиксации взаимодействий нейтрино
используются фотоэмульсии, которые перемежаются слоями низкофонового
свинца. Кроме того, дополнительную информацию дают сцинтилляционные
детекторы, дополнительные пластины фотоэмульсий, а также детекторы
мюонов.
Даже в современных методах регистрации фиксируется довольно малый
процент приходящих нейтрино, и это составляет значительную трудность.
Билет 12.
1. Особенности регистрации гамма-излучения с энергией больше 100 МэВ.
При больших энергиях гамма-квантов (порядка 100 МэВ) практически
единственным процессом взаимодействия гамма-квантов с веществом
является рождение электрон-позитронных пар. Для электрон-позитронных
пар основной вид взаимодействия при таких энергия – испускание гаммакванта.
Таким образом в веществе при энергии гамма-кванта больше критической
(2 масс покоя электрона) возникает э/м каскад, состоящий из тормозных
гамма-квантов, электронов и позитронов. Число частиц в ливне растёт
экспоненциально мере развития ливня до тех пор, пока энергия вторичных
электронов и позитронов больше критической. Далее ливень затухает.
При этом вся энергия гамма-кванта передается электрону и позитрону. Если и
электрон и позитрон поглотятся в веществе детектора, то суммарный импульс
будет пропорционален энергии гамма-кванта и событие будет зафиксировано в
пике полного поглощения. Однако позитрон может проаннигилировать. При этом
образуются два гамма кванта, каждый с энергией 511 кэВ. Если один из этих
аннигиляционных гамма-квантов, не вступив во взаимодействие, вылетит из
детектора, то суммарная энергия поглощенная в детекторе будет
Eγ – 511 кэВ. Такие события будут вносить вклад в так называемый пик
одиночного вылета (см. рис.). Если из детектора вылетят оба аннигиляционных
гамма-кванта, то это событие будет зафаксировано в пике двойного вылета (Eγ –
1022 кэВ).
Для измерения энергии подобного излучения используются калориметры.
Гомогенные: сцинтилляционные, черенковские и на основе жидких
инертных газов.
Гетерогеннные, в которых чередуется поглотитель (свинец) и
детектрирующий слой (жидкий аргон)
2. Полупроводниковый метод регистрации излучения.