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)

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1 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) e-mail: mms@if.ufrj.br “sondas” !

2 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 2 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...

3 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 3 Projéteis sem estrutura versus com estrutura e-e- Ex.:Elétron espalhado e-e- Projétil sem estrutura Ex.:átomo espalhado Projétil com estrutura

4 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 4 O que podemos fazer com projéteis? Usando projéteis diversos Física atômica e molecular Física nuclear Física de partículas Química Física de materiais...

5 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 5 Como obter os projéteis: Aceleradores CERN E ≈ 10 6 MeV v ≈ 0.996 c LaCAM (IF-UFRJ) E ≈ 1 MeV v ≈ 0.05 c Pilha E ≈ 1 eV v ≈ 5 x 10 -5 c H+H+ E= 1 eV

6 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 6 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-e-

7 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 7 Seções de choque: por quê? Seções de choque Experiência Teoria (clássica ou quântica) Obs.: unidade de área Entender processos da natureza

8 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 8 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.

9 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 9 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 + C 6 H n

10 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 10 Deutério e Trítio câmara Fonte de íons Aceleração e focalização elétrica Aceleração e focalização magnética b) Geração de energia por Fusão Nuclear Controlada Minimizar a perda de feixe Minimizar custos Integrated Beam Experiment – IBX (USA) 2 MeV 100 MeV 4000 MeV

11 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 11 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

12 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 12 c) IMAGE (Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration) pluto.space.swri.edu/IMAGE/ Tempestade Geomagnética plasma Seções de choque fótons (Luz visível) fótons (Infra vermelho) Átomos neutros

13 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 13 d) Íons na atmosfera Dados a detectores e eletrônica em geral Ref.: Crosslink Vol. 4 No 2 (2003)

14 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 14 Física de materiais Ex.1:  Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)

15 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 15 Física de materiais Ex.2:  RBS + reações nucleares

16 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 16 Programa (a - eletrônica de sinais) 1 – Estatística e tratamento de dados 1.1 – Modelos estatísticos 1.2 – Propagação de erro 1.3 – Ajuste de curvas 2 - Sinais em eletrônica nuclear 2.1 - Terminologia 2.2 - Sinais analógicos e digitais 2.3 - Sinais rápidos e lentos 2.4 - Largura de Banda 2.5 - Uma revisão sobre osciloscópios 3 – Transmissão de Sinais 3.1 – Cabos coaxiais 3.2 – A equação de ondas geral para um cabo coaxial 3.3 – O cabo ideal 3.4 – Reflexões 3.5 – Perdas em cabos coaxiais. Distorção de pulso Continua...

17 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 17 Programa (a: eletrônica de sinais) Continua... 4 - O Padrão NIM 4.1 – Módulos 4.2 – Bins 4.3 – Sinais lógicos NIM 4.4 – Sinais lógicos TTL e ECL 4.5 – Sinais analógicos 5- Eletrônica para Processamento de Sinais 5.1 – Pré-amplificadores 5.2 – Amplificadores. Integração e diferenciação de pulsos 5.3 – Discriminadores 5.4 – Analizador monocanal 5.5 – Conversores analógico-digital (ADC) 5.6 – Conversores tempo-amplitude (TDC) 5.7 - Analizador Mullticanal 5.8 – Medidores de taxa 5.9 – Medidas de coincidência rápida 6 – Conformatação de sinais

18 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 18 Programa (b: mais instrumentação básica) Continua... 7 – ótica de partículas carregadas 7.1 – Analogia com a ótica geométrica 7.2 – Colimação e definição de um feixe de partículas carregadas 7.3 – Lentes eletrostáticas 7.4 – Projetando sistemas com lentes eletrostáticas 7.5 – Programas de simulação 8 – Fontes de Radiação 8.1 – Unidades e Definições 8.2 – Fontes de elétrons rápidos 8.3 – Fontes de partículas carregadas pesadas 8.4 – Fontes de radiação eletromagnética 8.5 – Fontes de Neutrons

19 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 19 Programa (b: mais instrumentação básica) Continua... 9 - Física de aceleradores 9.1 – Tipos de aceleradores 9.2 - Fonte de íons 9.3 – Filtro de velocidades 9.4 – imã seletor 10 – Detetores de Radiação 10.1 - O detetor Geiger-Mueller 10.2 - Barreira de Superfície 10.3 - Channeltron 10.4 - Microchannel plate

20 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 20 Programa (c: algumas ferramentas) Continua... 11 - Interação de partículas carregadas com a Matéria 11.1 - Noções preliminares e definições 11.2 - O conceito de seção de choque 11.3 - Perda de energia 12 - Técnicas de Análise 12.1 - Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) 12.2 - Particle induced x-ray emission (PIXE) 13 – Espectrometria de Massa 13.1 – O que é espectrometria de massa 13.2 – O espectrômetro por tempo de vôo 13.3 – Analisador quadrupolo

21 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 21 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 !)

22 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 22 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

23 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 23 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.

24 Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ 24 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 Relatórios Adaptação de: C. H. de Brito Cruz, H. L. Fragnito, I. F. da Costa, B. A. Mello, Guia para Fisica Experimental, IFGW, Unicamp (1997) Relatórios