Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ1 Lab. de Fis. Corpuscular -FIW474 Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (LaCAM)

Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

1

Lab. de Fis. Corpuscular -FIW474

Prof. Marcelo Sant’AnnaSala A-310 (LaCAM) e-mail: [email protected]

“sondas” !


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Os corpúsculos podem ser: Elétron, prótons, neutrons, núcleos, átomos,

íons positivos, íons negativos, fótons, agregados de átomos, ...

Lentos ou rápidos (perguntem-se: comparado com o que?)

Podemos estar interessados em analisar projétil e alvo depois de uma colisão.

Podemos estar interessados em modificar materiais com uma colisão.

Podemos ...


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Projéteis sem estrutura versus com estrutura

e-

Ex.:Elétron espalhado

e-

Projétil sem estrutura

Ex.:átomo espalhadoProjétil com estrutura


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O que podemos fazer com projéteis?

...

Física de

materiais

Química

Física de

partículas

Física nuclear

Física atômica e molecular

Usandoprojéteis diversos


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Como obter os projéteis: Aceleradores

CERNE ≈ 106 MeVv ≈ 0.996 c

LaCAM (IF-UFRJ)

E ≈ 1 MeVv ≈ 0.05 c

PilhaE ≈ 1 eV

v ≈ 5 x 10-5 c

H+

E= 1 eV


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Seções de choque: o que são?Uma grandeza proporcional à probabilidade de

um átomo sofrer uma mudança.(com maior rigor: fluxo de partículas espalhadas com

uma certa propriedade dividido pela densidade de fluxo de partículas incidentes)

Área efetiva de colisão

e-


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Seções de choque: por quê?

Seções de choqueExperiência Teoria

(clássica ou

quântica)

Obs.: unidade de área

Entender processos da natureza


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Alguns exemplos (quase aleatórios). Física básica e aplicações de seções de choque como parâmetros.

a) Estudar a dinâmicas das colisões. Ex.: o que acontece com os elétrons em uma colisão átomo-átomo? Quais as interações relevantes?

b) Geração de energia elétrica por fusão nuclear controlada.

c) Estudo da magnetosfera terrestre.


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a) Física básica. (Obs.:“Seções de choque versus Espectroscopia”)

M.M. Sant’Anna et al., Phys. Rev. A 74, 022701 (2006)

x

C. Kolczewski et al., J. Chem. Phys. 124, 034302 (2006)

Fóton + C6Hn


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Deutério e

Trítio

câmara

Fonte de íons

Aceleração e

focalização

elétrica

Aceleração e

focalização

magnética

b) Geração de energia porFusão Nuclear Controlada

Minimizar a perda de feixe

Minimizar custos

Integrated Beam Experiment – IBX(USA)

2 MeV

100 MeV

4000 MeV


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c) IMAGE (Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration)

Charge Tranfer cross section for energetic neutral atom data analysis

B.G. Lindsay and R. F. Stebbing

Journal of Geophysical Research,110, A12213 (2005)

magnetosfera

magnetopause


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c) IMAGE (Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration)

pluto.space.swri.edu/IMAGE/

Tempestade Geomagnéticaplasm

a

Seções de choque

fótons(Luz visível)

fótons(Infra vermelho)

Átomos neutros


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d) Íons na atmosfera Dados a detectores e

eletrônica em geral

Ref.: Crosslink Vol. 4 No 2 (2003)


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Física de materiais

Ex.1: Rutherford

Backscattering Spectrometry (RBS)


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Física de materiais Ex.2:

RBS + reações nucleares


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Programa (a - eletrônica de sinais)1 – Estatística e tratamento de dados

1.1 – Modelos estatísticos1.2 – Propagação de erro

1.3 – Ajuste de curvas2 - Sinais em eletrônica nuclear

2.1 - Terminologia2.2 - Sinais analógicos e digitais

2.3 - Sinais rápidos e lentos2.4 - Largura de Banda

2.5 - Uma revisão sobre osciloscópios3 – Transmissão de Sinais

3.1 – Cabos coaxiais3.2 – A equação de ondas geral para um cabo coaxial

3.3 – O cabo ideal3.4 – Reflexões

3.5 – Perdas em cabos coaxiais. Distorção de pulso

Continua...

undershoot

t

tilt

ringingovershooting


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Programa (a: eletrônica de sinais)

Continua...

4 - O Padrão NIM4.1 – Módulos

4.2 – Bins4.3 – Sinais lógicos NIM

4.4 – Sinais lógicos TTL e ECL4.5 – Sinais analógicos

5- Eletrônica para Processamento de Sinais5.1 – Pré-amplificadores

5.2 – Amplificadores. Integração e diferenciação de pulsos5.3 – Discriminadores

5.4 – Analizador monocanal5.5 – Conversores analógico-digital (ADC)5.6 – Conversores tempo-amplitude (TDC)

5.7 - Analizador Mullticanal5.8 – Medidores de taxa

5.9 – Medidas de coincidência rápida6 – Conformatação de sinais


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Programa (b: mais instrumentação básica)

Continua...

7 – ótica de partículas carregadas

7.1 – Analogia com a ótica geométrica7.2 – Colimação e definição de um feixe de partículas carregadas

7.3 – Lentes eletrostáticas7.4 – Projetando sistemas com lentes eletrostáticas

7.5 – Programas de simulação

8 – Fontes de Radiação

8.1 – Unidades e Definições8.2 – Fontes de elétrons rápidos

8.3 – Fontes de partículas carregadas pesadas8.4 – Fontes de radiação eletromagnética

8.5 – Fontes de Neutrons


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Programa (b: mais instrumentação básica)

Continua...

9 - Física de aceleradores

9.1 – Tipos de aceleradores 9.2 - Fonte de íons

9.3 – Filtro de velocidades9.4 – imã seletor

10 – Detetores de Radiação

10.1 - O detetor Geiger-Mueller10.2 - Barreira de Superfície

10.3 - Channeltron10.4 - Microchannel plate


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Programa (c: algumas ferramentas)

Continua...

11 - Interação de partículas carregadas com a Matéria11.1 - Noções preliminares e definições11.2 - O conceito de seção de choque

11.3 - Perda de energia

12 - Técnicas de Análise12.1 - Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)

12.2 - Particle induced x-ray emission (PIXE)

13 – Espectrometria de Massa13.1 – O que é espectrometria de massa13.2 – O espectrômetro por tempo de vôo

13.3 – Analisador quadrupolo


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Programa (d: projetos utilizando nosso acelerador)

Algumas sugestões:

Colisões atômicas: medida de seções de choque de captura ou perda eletrônica em câmara gasosa.

Implementação de uma medida de RBS.

Realização de irradiação com prótons

Colisões nucleares de “baixa” energia

... (vasculhem a internet !)


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Bibliografia

0 – Antônio Carlos F. dos Santos, Notas de Aula

1 - William R. Leo , Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments

2 - Glenn F. Knoll, Radiation Detection and Measurement

3 - XYZs of Oscilloscopes, Tektronix

4 – John H. Moore, Christopher C. Davis. Michael A. Coplan, Building Scientific Apparatus

5 – Experiments in Nuclear Science AN34 Laboratory Manual, third edition EG&G ORTEC


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Critério de aprovação

A nota será composta de dois graus G1 e G2 com 50 % de peso cada.Se a média M=(G1+G2)/2 é superior a sete o aluno está aprovado. Caso contrário, Se 7.0 M 3.0, o aluno terá direito a uma prova final (PF). Se (M+PF)/2 for superior a cinco, estará aprovado.

Cada um dos graus Gn será composto de uma prova (peso de 40%), média dos relatórios (peso de 30%), média de listas (peso de 10 %) e caderno de laboratório (peso de 10 %).

G1 será ainda composto por uma proposta de trabalho final, na forma de um relatório especial (peso 10 %). G2 será ainda composto pelo trabalho final (peso 10 %).

Os relatórios deverão ser entregues 1 (uma) semana após a realização do experimento. Qualquer caso excepcional deverá ser tratado com antecedência com o professor.


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Caderno de Laboratório: ~ anotar tudo aquilo que puder te ajudar mais tarde.

Título, datas, colaboradores Objetivos do experimento (obs.: teste seu próprio texto. Se ele “serve” para qualquer relatório, não serve para

nenhum) Roteiro dos procedimentos Esquema do aparato utilizado Descrição dos principais instrumentos utilizados Dados obtidos Cálculos Figuras, tabelas e equações Resultados e conclusões Roteiro para obter um bom gráfico

Caderno de Laboratório e RelatóriosAdaptação de: C. H. de Brito Cruz, H. L. Fragnito, I. F. da Costa, B. A. Mello, Guia para Fisica Experimental,

IFGW, Unicamp (1997)

Relatórios

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