2011-12-02

1

Tillämpningar av kärnfysik

•Medicinsk användning•Acceleratorbaserade tillämpningar,

jonstrålemetoder

• Accelerators can be classified into different principle designs but all principles are ofprinciple 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 fi ld

Nov 10, 2010 Overview of AcceleratorsExperimental tools in Physics

field.

Nov 10, 2009 Overview of AcceleratorsExperimental tools in Physics

Charge changer; stripper gas or foil

+ High Voltage U

Ion source, negative ions

-q1 +q2E=(q2 + q1)*U (eV)

2009-11-18 Electrostatic Accelerators Experimental tools in Physics

2. Tandem accelerator, ionsource outsidetank

2011-12-02

2

The Lawrence type of accelerator is called cyclotron and the principle is illustrated:

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

Nov 10, 2009 Overview of AcceleratorsExperimental tools in Physics

are two D shaped electrodes consisting of hollow, flat half cylinders. Energies possible to obtain with protons are up to 20--30 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

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

Nov 10, 2009 Overview of AcceleratorsExperimental tools in Physics

Colliding Beam SystemThe 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 1972--83 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.

Nov 10, 2009 Overview of AcceleratorsExperimental tools in Physics

Jonstråletekniker

• Materialmodifiering ( )• Materialmodifiering (..)• Jonstråleanalys:

– PIXE– RBS– NRA

• AMS• Neutronspridning – Spallation, ESS

2011-12-02

3

Mikrostråleacceleratorn i Lund

Ion Beam Analysis

Hur fokuserar man protoner?Tillämpningar med extremt låg p g g

strålintensitet

Princip

Aperture slitsObject slits

Deflecting/ analyzing magnet

Accelerator

Quadrupole lenses

Chamber of analysis

2011-12-02

4

Magnetisk fokuseringslinsOxford new q-pole Q-pole focusing

Karaktäristiskröntgenstrålnng

Characteristic X-rays• incoming radiation creates vacancies in the

i l t h llinner 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

2011-12-02

5

ShellShellmodel

PIXE spectrum

Hud

P S Cl

NANODERM: EU-projekt för att undersöka

KTi

risker med eventuell penetration av nm-stora Ti-partiklar genom hud

Tycho Brahes hårstrå

2011-12-02

6

Från gravöppningen i Prag 2010Kistan öppnad

Kraniet med skägg Back-scattering

2011-12-02

7

RBS - princip

• Rutherford Back Scattering– Coulombspridning– Enkel kinematik

Energiförlust i– Energiförlust i materialet

PIGE• Karakteristisk γ-strålning mäts.• Traditionellt använt vid mätning på tjocka prov, d.v.s.

partikelstrålen stoppas i provet.p pp p• Något högre energier än vid normal PIXE-analys.• Med PIGE går det att detektera Li, B, F, Na, Al, Si

och P.

Typiskt PIGE-Typiskt PIGEspektrum från ett

tjockt prov, upptaget med en Ge-detektor.

Single Ion Hit Facilityextrem lågdosbestrålning

cell culture

vacuum area

focused ionbeam

dish

cell

vacuum windowdish window

e- or light detector

Bestrålning av enskilda cellermed enstaka joner

Helt ny teknik för att undersöka biologiska effekterHelt 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.g p j

Extrahera genom ett vakuumfönster och låt varje cell träffas av högst en jon.

Håll reda på vilka celler som träffats och var.

2011-12-02

8

Acceleratormasspektrometri - att räkna atomer istället för sönderfall -med tillämpningar från himmel till jord

Kristina Stenström, Avd för kärnfysik

O2

O2

O2

O214CO2

14CO2

14CO2

14CO2

Kosmisk strålning+

14N (kväve-14)14C (kol-14)

14C + O214CO2

Modernt kol 99% 12C1% 13C

10-10% 14C

O2

14C 14N + β -strålningT1/2=5730 år

Hur kan man mäta 14C?

1 gram modernt kol 14 sönderfall/minut

14C 14N + β -strålning 60 miljarder atomerC N + β strålning j

Räkna atomer effektivast!

AMS

Räkna atomer med AMS:en förfinad masspektrometer

J käll3 MV tandemaccelerator

Jonkälla med kolprov

Partikel-detektor

Mass-separator

Dipolmagneter

Hastighets-filter

• Mäter 14C/13C: ger aktivitet (⇒ ålder)• Mättid: ca 20 min/prov• Detektionsgräns: <1 attomol 14C• Provmängd: 1 mg kol

14C variationer

2011-12-02

9

“Kristi svepning” Ismannen från alperna

5300 år

Åldern har fastställts med14C-datering

med

acceleratormasspektrometri (AMS)

620-740 år

Utsläpp av 14C från kärnkraftsindustrin

14CO2

STRÅLDOS???

Utsläpp, spridning och upptag av 14C mäts med AMS!!!

ESSThe European Spallation Source

ESS: What ?

The next generation neutron The next generation neutron scattering facility for Europe

The most powerful neutron i f ili i h ldscattering facility in the world

2011-12-02

10

ESS: How ?1.334 GeV protons

10 MW average beam power10 MW average beam power1 long pulse target station

(16.6 Hz, 2 ms)W-target

(Liquid metal targets;q g1 m3 Hg, PbBi or Pb?)

Why neutrons ? (1)

The neutron has a wavelength (Å) and an energy (meV) comparable to typical atomic spacings and (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

d d isotope dependent -

distinguish light and heavy atoms or atoms of similar Z

enabling the technique of isotopic substitution/contrast variationp

Why neutrons ? (5)The neutron has a magnetic moment but no

charge -

enabling studies of magnetic structure and dynamics

2011-12-02

11

Spallation35-40 MeV/useful neutrons (1.3 GeV protons on Pb) Ideally suited for pulsed operation.

ESS – accelerator

Super Conducting

Based onBased on CONCERT-2000

Target areaKärnfysik, fördjupningskurs

(FKF021) HT, LP1• Syfte

d f f dj i k i i ik iKursen är den första fördjupningskursen inom inriktningen 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 fusionKärnreaktioner. Fission och fusion.

• LitteraturKrane, K.S.: Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons 1988. ISBN 0-471-80553-XLaborationshandledningar (distribueras av institutionen).

2011-12-02

12

Experimentella verktyg i subatomär fysik (FKFN05). HT /LP2

Statistics and data handling, Peter Ekström~1week,4h lectures + 2-4h help in problem solvingExamination: hand in problemsRadiation sources, accelerators. Jan Pallon, Kristina Stenström, Anders Oskarsson and Sverker Swerin ~ 1 week, 8h lecturesExamination: hand in problems and specialized study

LTH studentsN-studentsRadiation detection and measurement~3 weeks, 7 tutorials (1h), computersimulation, full day lab + half day labExamination: Activity in tutorials (home exam if not sufficient). Lab work + report, simulation problem

Electronics for physicsists~ 3 weeks, 16h lectures, 2 full lab3 day project on electronics IRLExamination: written exam.Lab work + lab reportsProject report

Tillämpad subatomär fysik (FKFN01)VT /LP1

• Syftef i å d jli h fi jKursens 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, projektg p j• Fissionsreaktorteori – tutorials (diskussionsgrupp), studiebesök.• Medicinska och tekniska tillämpningar av kärnfysiken – uppsats,

seminarium.

Reaktorfysik (FKFN01)VT /LP2

• SyfteyKursens 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

• Syftef i d k i ill d bKursens syfte är att ge en introduktion 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

k t i till L d) f å l i t di t i i t hanknytning till Lund) från planeringsstadiet, via experiment och dataanalys till den slutliga uttolkningen och jämförelser med teorin. Förutsatta förkunskaper: Kärnfysik FKF021 (fördjupningskurs) eller motsvarande.