ATOMKI látogatás

1. ATOMKI látogatás 2011.Október 03. Szent László ÁMK, Baja

2. Program tervezet • ATOMKI 11:00-11:35 Ciklotron11:40-12:15 PET (Pozitron Emissziós Tomográf)12:20-13:00 Hideglabor, kísérletek folyékony nitrogénnel. • Debreceni Egyetem Kísérleti Fizika 13:00-14:00 ködkamra (háttér sugárzások, alfa-forrás, neutronok által meglökött protonok nyomai);természetes és mesterséges radioaktív anyagok sugárzásának detektálása; gamma-spektrometria; gamma- és neutron dozimetria;müonok észlelése koincidenciába kapcsolt GM-csövekkel;mesterséges radioizotóp előállítása magreakcióval és felezési idejének mérése; kisfeszültségű gyorsítók ("neutrongenerátorok") megtekintése;detektorok megismerése;

3. Elméleti felkészülés Gyorsítás:DU potenciálkülönbségen(feszültség)áthaladó részecske kinetikusenergia-változása: • Energia egységek 1 eV 1,6∙10-19= [Cb]∙ 1 [V] = 1,6∙10-19 [J] (ekkora energiát kap egy elektron/proton 1 V feszültség-különbség hatására) 1 keV=103eV 1MeV=106eV 1 GeV=109 eV, 1 TeV=1012 eV kilo- mega- giga- tera-

4. Természetes radioaktivitás felfedezése Radioaktív sugárzás: előzetes energiaközlés nélkül bekövetkező sugárzás Antoine Henri Becquerel :az uránérc előzetes besugárzás nélkül is bocsátott ki bizonyos sugarakat, amelyek a fényhez hasonló nyomot hagytak a fényképezőlemezen. Marie Curie és Pierre Curie: Felfedezték a polóniumot és a rádiumot. Megfigyelték, hogy az új sugárzás független a sugárzó elem fizikai és kémiai állapotától. Ernest Rutherford: A radioaktív anyagból kilépő sugarakat elektromos mezőbe vezette, a sugárzás három összetevőjét figyelte meg.

5. A radioaktív sugárzás típusai • α-sugárzás: nagy sebességű He 2+- ionokból áll, • ionizáló hatása legnagyobb, áthatoló képessége a legkisebb • β-sugárzás: közel fénysebességű elektronokból áll, ionizáló hatása kisebb, áthatoló képessége nagyobb • γ-sugárzás: nagy frekvenciájú elektromágneses hullám,ionizáló hatása legkisebb,áthatoló képessége legnagyobb A sugárzás tulajdonságai • külső hatás nélkül keletkezik • erőssége az elem mennyiségétől függ • fizikai és kémiai változások nem befolyásolják • ionizáló hatása van • élő sejteket károsítja • fluoreszkálást, foszforeszkálást okoz

6. A radioaktivitás a sugárzó atomok belső átalakulásának következménye. • α-sugárzáskor a rendszám 2-vel, tömegszám 4-gyel csökken • β-sugárzáskor a rendszám 1-gyel nő, tömegszám nem változik A radioaktív elemek családokba sorolhatók, melyben egymást követő bomlások sorozata játszódik le,míg egy stabil izotóp keletkezik.

7. Aktivitás: időegységre eső bomlások száma jele: A mértékegysége: Bq λ:bomlásállandó N:a t idő múlva jelenlévő bomlatlan atomok száma Felezési idő: az az idő, amely alatt az atommagok fele elbomlik jele: T1/2 Bomlástörvény: N (t) :a t időpillanatban jelenlévő bomlatlan atommagok száma N (0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma

8. 1.Dózisegyenérték Jele: H Mértékegysége: Sv (Sievert) 1Sv=1J/kg H=DQN D: elnyelt dózis Q: sugárzás típusára jellemző faktor N: sugárzás körülményeire jellemző állandó 2.Elnyelt dózis(1 kg tömegben elnyelt sugárzási energia) mértékegysége Gray =J/kg A sugárdózis átlag értéke mSv/év-ben

9. Háttérsugárzás Az átlagos természetes radioaktív háttérsugárzás kb. 1.8 mSv/év. Emberi tevékenységből, - döntő részben az orvosi röntgen átvilágítás és terápia, - még átlagosan 0.4 mSv/év, együtt maximum kb 2,5 mSv/év. • A háttérsugárzás legjelentősebb komponensei: • a helyiségben jelenlévő radon (kb. 0.5 mSv/év), • az épületek sugárzása (kb. 0.4 mSv/év), • kozmikus sugárzás, ami felfelé haladva erősen növekszik (0.3 mSv/év), • a bennünk lévő kálium 40 izotóp sugárzása (kb. 0.2 mSv/év)

10. Radioaktív sugárzás detektálása Filmdoziméter (pl. egészségügyi dolgozók) A filmdoziméter egy fotográfiai film, amelyet speciális kazettában helyeznek el. A kazettán szűrők vannak, melyek segítségével a filmen különböző mértékű elfeketedések alakulnak ki A filmeket előhívás után kiértékelik, amely során a feketedés mértékéből lehet a kapott személyi dózist becsülni, sőt ad információt a sugárzás minőségéről, irányáról, és az energia eloszlásáról is.

11. Radioaktív sugárzás detektálása • Ködkamra Wilson-féle ködkamra A kamrában alkohol telített gőze van, a sugárforrásból kilépő részecskék ionokat hoznak létre, körülöttük a gőz lecsapódik.

12. Radioaktív sugárzás detektálása Nagy energiájú sugárzás, vagy részecskék hatására fényvillanás következik be. Szcintillációs detektor

13. Radioaktív sugárzás detektálása Geiger Müller számláló Geiger-Müller számláló – GM-cső anód: W-szál katód:Cu-henger Anód-katód közötti feszültség:500-2000V Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemes gáz A belépő radioaktív részecskék ionokat hoznak létre a gázokban, ez áramlökést hoz létre.

14. A kvarkokat gluonok „ragasztják” össze Az atommag pozitív töltésű Protonokból (p) és neutronokból (n) áll. A protonok és neutronok kvarkokból állnak A kvarkok „színtöltést” hordoznak Részecskék, antirészecskék

15. Megmarad-e az energia a béta-bomlásban? Az elektron energiája nem meghatározott 1931 – Pauli, neutrínó jóslat 1954 – Szalay, Csikai közvetett megf. 1959 – Reines, Cowan közvetlen megf.

16. Részecskecsaládok + antirészecskéik

17. Részecskék és antirészecskék

18. Kölcsönhatások

19. Hogyan láthatunk részecskét?

20. Diffúziós ködkamra -  (He2+) forrással 300 V-os feszültség alkoholos vatta LED  (He2+)forrás hőszigetelő termosz szilárd CO2 – „szárazjég” Particle tracks + High Voltage 100-200 V= Isopropyl alc. source - T increase LED Copper plate a-source Copper rods CO ice Thermos 2 Fig. 2: Systematic diagram of cloud chamber

21. Egy e+e- ütközés eredménye

22. Mi a részecskegyorsító? • Bármilyen eszköz, ami töltéssel rendelkező részecskéket igen nagy sebességre gyorsít elektromos vagy mágneses mezővel A képen egy korai részecskegyorsító látható 1937-ből.Ezt a gyorsítót használták az első atombomba készítésénél is. http://en.wikipedia.org/wiki/Image:P3280014.JPG

23. Gyorsítók Részecskenyaláb „terelése”:elektromágneses (Lorentz) erő: elektromos térerősség mágneses indukció részecske sebessége Faraday „kalitka” Fémoboz belsejében az elektromos térerősség: E=0 A részecskék „csomagokban” gyorsulnak. Fázisfókuszálás

24. lineáris gyorsító Gyorsítás: csak az elektródok közötti térben (belül: Faraday-kalitka) Az elektródok hossza változik, hogy mindig jó fázisban érjék el a gyorsítórést az egyre nagyobb sebességű részecskék. SLAC Stanford Linear ACcelerator A világ legnagyobb lineáris gyorsítója Hossza: 3,2 km Részecskék: elektron, pozitron E~ 50 GeV

25. Egy korai gyorsító • 1929-ben, Ernest Lawrence fejlesztette ki az elsőkörpályás gyorsítót • Ennek a ciklotronnak csupán 4 inch volt az átmérője (kb.10cm), és két D alakú mágnest tartalmazott réssel elválasztva • A kis résben váltakozó áram kelti a változó elektromos mezőt, ami gyorsítja a részecskéket ahogy körbefutnak a gyorsítóban

26. Lawrence ciklotronja: http://www.facstaff.bucknell.edu/mvigeant/univ_270_03/Jaime/History.html

27. centrip. erő = Lorentz erő ciklotron Homogén mágneses térben, a B-re merőlegesen belépő részecskékre: Ebből kapjuk: (F ┴ v, körpálya) = állandó, (amíg m is állandó) Gyorsító elektródán belül „Faraday-kalitka” Gyorsítás: az elektródák között

28. Ciklotronnal előállítható maximális energia: Nagy energiáknál két probléma: 1) De az energia növekedésével m is nő (relativisztikusan) Két lehetséges megoldás: B növelése (relativisztikus ciklotron) w csökkentése (szinkrociklotron)

29. 2) Gyorsítsunk protonokat Emax= 50 GeV energiára! Legyen B = 3 T Mekkora sugarú ciklotronra lenne szükség? • Relativisztikus számolással kapjuk R ~ 52 m • A mágnespofák tömege ~45000 t! • A súlyához még a mágneses vonzás is hozzájárul. • És ezt nem lehet belül alátámasztani!!! Gyorsítógyűrű!

30. Gyorsítógyűrűk • Körpályás gyorsítók igen nagy sebességre (energiára) képesek felgyorsítani a részecskéket, mivel minden részecske hosszú ideig gyorsul. • A körpálya hossza egészen nagy lehet • Fermilab’s Tevatron (Near Chicago, USA) - 4 miles (6.44 km) • CERN’s LHC (Near Geneva, Switzerland) – 16.8 miles (27 km)

31. Gyorsítógyűrűk • Körpályás gyorsítók elektromágnesekkel kör alakú pályán vezetik a részecskéketamíg el nem érik a kívánt sebességet/energiát • A részecskék egyik irányba gyorsulnak, míg antirészecskéik az ellentétes irányba www.fnal.gov

32. Pozitron Emissziós Tomográf (PET) • Ennél a módszernél egy nem stabil izotóp bomlásakor kibocsátott pozitron egy elektronnal való találkozásakor kisugárzott gamma-fotonokat detektálják. A PET berendezés ezeknek a fotonoknak a számát méri.

33. Atommag neutronok + + + protonok elektronok Pozitron (+) bomlás 18F-FDG

34. + + + + + + + + + + +bomlás Neutron szegényizotópok pozitron kibocsátással anti-neutrino pozitron • következmény: egy proton helyett • neutron • anti-neutrino • pozitron

35. Pozitron Emissziós Tomográf (PET) • A páciens szervezetébe olyan izotópot juttatnak, amely bomlásakor pozitront sugároz ki. Erre tipikus példa a fluor 18-as izotópja. A fluoratomokat egy, a cukorral rokon vegyületben megkötött formában adják a páciensnek. Ez az anyag így a szervezet anyagcsere-folyamatait követve olyan helyekre jut el, ahová a cukor is eljutna. A kibocsátott pozitronok száma és így a másodlagos folyamatban keletkező fotonok száma arányos a fluoratomok számával. Vagyis, ha egy tomografikus intenzitástérképet vesznek fel, tér- és időbeli képet kaphatnak az anyagcsere-folyamatok lezajlásáról.

36. Pozitron Emissziós Tomográf (PET) • Így ez a módszer lehetőséget nyújt pl. az agy különböző területeinek és az ott lezajló folyamatoknak a vizsgálatára.

37. PET Az első PET scanner (1975) ciklotronok

38. PET Imaging Overview • Nyomkövető szintézis • Nyomkövető bejuttatása • Az izotóp által kibocsátott gamma fotonok mérése (~20-60 min) • Kép készítés a mért intenzitás eloszlás alapján

39. Pozitron annihiláció • Annihiláció • 2x 511 keV gamma fotonok • 180 fokos szögben • Pozitron és gamma foton elhelyezkedés nem esik egy egyenesbe • A scanner mint foton számláló • Gamma párokat számol egyes gamma fotonok függvényében • időköz ~ 1 ns 511 keV e+ e- 511 keV

40. PET/CT-Scanner 55M Events 1M Events

41. Mobile PET

42. PET Gamma Kamerával

43. ATOMKI ciklotron • Az ATOMKI Ciklotron Laboratóriuma üzemelteti Magyarország legnagyobb részecskegyorsító berendezését. Az itt működő MGC-20 típusú ciklotron 1985 novembere óta szolgáltat gyorsított részecskenyalábokat alap- és alkalmazott kutatások számára illetve orvosi és ipari alkalmazásokhoz is.

45. A targethelyiségek elrendezése és a nyalábvezető rendszer felépítése

46. Ez egy olyan változtatható végenergiájú kompakt ciklotron, amely proton, deutérium és alfa részecskenyalábokat képes gyorsítani. Körülbelül két évtizedig az egyetlen ciklotron típusú gyorsító berendezés volt az országban, számos kutatási és alkalmazási program mellett jelentős orvosi (PET) felhasználással. Az utóbbi években két új PET-ciklotront helyeztek üzembe (Budapesten és Debrecenben), amelyek proton- és deutérium nyalábokat az ATOMKI ciklotronhoz közeli végenergiával képesek előállítani.

47. A gyorsító széles tartományban változtatható paraméterű nyalábokat képes előállítani, így rugalmasan alkalmazható sokféle, akár különböző tudományterületek által megkívánt feladatra. Ezen túlmenően a ciklotron olyan nyalábvezető rendszerrel rendelkezik, amely lehetővé teszi a nagyon eltérő és speciális követelményekkel rendelkező felhasználói igények kielégítését is.

48. A bemutató internetes anyagok, többek között Dr. Sükösd Csaba részecskefizika témájú ppt-je és az ATOMKI honlap felhasználásával készült.