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Laboratório de Física Corpuscular - aula 1- 2009.1 - Instituto de

Física - UFRJ 1

Lab. de Fis. Corpuscular -FIW474

Prof. Marcelo Sant’Anna

Sala A-310 (LaCAM) e-mail: mms@if.ufrj.br

“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

CERN

E ≈ 106 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+

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 choque

ExperiênciaTeoria

(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) Aplicação a modelagem de plasmas:

Exemplo: Geração de energia por

Fusão Nuclear Controlada

Plasma ~ “sopa de íons, elétrons, átomos, ...”

Como quantificar as interações entre eles?

O Large Helical Device (LHD)

Parte do programa japonês para o confinamento magnético de Plasmas

“Extension of operating Region and Elucidation of Physics behind the Phenomena…”

O Large Helical Device (LHD)

diagnóstico de Plasmas

Heavy-Ion Beam Probe

Sobre o feixe de ouro para HIBP...

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b) 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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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 Geomagnética

plasma

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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e) Física de materiais: modificação de materiais

Ex.: Spintrônica Semicondutores magnéticos diluídos (Ex.: Ga1-xMnxAs)

Magnetization vector manipulation by electric fieldsD. Chiba, M. Sawicki, Y. Nishitani, Y. Nakatani, F. Matsukura & H. OhnoNature 455, 515-518(25 September 2008)

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e) Física de materiais: modificação de materiais Ex.: Spintrônica

Desordem em semicondutores magnéticos diluídos (Ex.: Ga1-xMnxAs)

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Física de materiais: caracterização de materiais Ex.1:

Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)

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Física de materiais: caracterização 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 20%), 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 20 %). G2 será ainda composto pelo trabalho final (peso 20 %).

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