Wydział: FIZYKA	Dzień / godzina: Środa 8.15 - 11.00		Nr zespołu: 7
		Data: 20.03.2002
Nazwisko i imię: 1. Kwaśny Michał 2. Krasuski Michał 3. Laudyn Urszula	Ocena z przygotowania:	Ocena z sprawozdania:	Ocena:
Prowadzący :	Podpis prowadzącego:

Temat: WYZNACZANIE ENERGII PROMIENIOWANIA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU SCYNTYLACYJENGO.

Cel: zapoznanie się z zasadą działania spektrometru scyntylacyjnego oraz kształtem widma impulsów otrzymywanych w wyniku rejestracji monoenergetycznego promieniowania γ. Naszym zadaniem było także wyznaczenie krzywej cechowania oraz określenie energii promieniowania.

Własności kwantów γ -

1. nie mają ani ładunku ani masy

2. nie odchylają się w polu magnetycznym ani elektrycznym

3. są najbardziej przenikliwe, mają nieograniczony zasięg w powietrzu, bardzo słabo jonizują.

4. w czasie rozpadu nukleony z wyższych poziomów energetycznych przechodzą na poziom energetycznie niższy.

Scyntylatory, ciekłe lub stałe substancje, w których obserwuje się powstawanie scyntylacji. Najczęściej stosowanymi scyntylatorami są: kryształy ZnS, NaI, tworzywa sztuczne (np. polistyren lub metakrylen winylu z domieszką związków fosforowych) oraz substancje organiczne stałe (antracen, stilben, naftalen, p-Terfenyl) względnie ciekłe (związki aromatyczne z grupy oksazoli), rozpuszczone w ksylenie lub toluenie, wreszcie niektóre szkła.

Scyntylatory wykorzystuje się w licznikach scyntylacyjnych, spektrometrach gamma, spektrometrach ciekłoscyntylacyjnych.

Scyntylacja, krótkotrwały błysk światła powstający w niektórych substancjach (scyntylatory) na skutek zjawiska luminescencji, która ma miejsce przy przechodzeniu przez te substancje cząstek promieniowania przenikliwego. Czas trwania zjawiska wynosi od jednej miliardowej do jednej dziesięciotysięcznej s. Scyntylacje mogą być spowodowane tylko przez cząsteczkę naładowaną.

Licznik scyntylacyjny, rodzaj detektora promieniowania jonizującego, zbudowany ze scyntylatora, w którym cząstka promieniowania wywołuje luminescencje, fotopowielacza zamieniającego błysk światła w sygnał elektryczny (często błysk scyntylacji doprowadza się do fotopowielacza za pomocą światłowodu) i układu rejestracji sygnału.

Dobierając materiał scyntylatora uzyskuje się licznik czuły na różne rodzaje promieniowania jonizującego lub na neutrony, a nawet (przy objętościach scyntylatora rzędu tys. litrów) na neutrina. Wydajność detekcji dla kwantów gamma można zwiększyć polepszając kąt bryłowy oświetlenia licznika przez badany preparat. W tym celu stosuje się liczniki posiadające wnęki na umieszczenie źródła (liczniki scyntylacyjne wnękowe lub studzienkowe). Fotony promieniowania γ mogą wywołać scyntylacje dzięki zjawisku fotoelektrycznemu, Comptona oraz kreacji tworzenia par. W wyniku tych zjawisk pojawiają sę elektrony o różnych energiach, które wywołują scyntylacje.

Typowy kształt widma otrzymanego metodą scyntylacyją dla monoenergetycznego promieniowania γ

Spektrometr scyntylacyjny - przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania gamma. Zbudowany jest z: analizatora wielokanałowego amplitudy (analizator amplitudy), konwertera analogowo-cyfrowego, elektronicznego przedwzmacniacza i wzmacniacza, zasilacza wysokiego napięcia oraz detektora promieniowania gamma: licznika scyntylacyjnego (np. ze scyntylatorem NaI) lub detektora półprzewodnikowego (germanowego).

Cząstki naładowane przechodzące przez materię powodują jonizację i wzbudzenia atomów lub cząsteczek ośrodka. W rezultacie tego wzbudzenia następuje emisja fotonów, które w większości materiałów ulegają absorpcji. Istnieje pewna grupa ośrodków dielektrycznych, które są przezroczyste dla pewnych długości fal fotonów emitowanych przez atomy wzbudzone na skutek przejścia cząstki naładowanej.

Kwant promieniowania gamma przenikający przez detektor wytwarza w nim sygnał proporcjonalny do energii pozostawianej w detektorze, sygnał w postaci impulsu prądu elektrycznego jest wzmacniany, a jego amplituda analizowana i rejestrowana. Powstaje w ten sposób widmo promieniowania gamma będące rejestrem ilości kwantów gamma o energiach należących do kolejnych, względnie małych przedziałów energii przenikających detektor w określonym czasie.

Istnieją ponadto magnetyczne spektrometry gamma będące rodzajem spektrometrów beta (spektrometr par) oraz spektrometry krystaliczne promieniowania gamma, działające na takiej zasadzie jak dyspersyjne spektrometry rentgenowskie.

Schemat spektrometru gamma: D - detektor, P - przedwzmacniacz, W - wzmacniacz spektroskopowy, K - konwerter wysokich napięć, A - analizator.

Zjawisko fotoelektryczne - dzielimy je na zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne i zewnętrzne. W naszym doświadczeniu zetknęliśmy ze zjawiskiem zewnętrznym. Jest to zjawisko wybijania elektronów z powierzchni metalu przez kwanty promieniowania czyli fotony. Zachodzi na elektronach silnie związanych w atomie, a więc znajdującymi się na powłokach położonych najbliżej jądra. Kwant γ zostaje pochłonięty przez atom a cała jego energia zużyta na wybicie z atomu jednego z elektronów i nadaniu mu energii kinetycznej.

Prawa rządzące zjawiskiem:

1. ilość wybitych fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do natężenia oświetlenia

2. Energia wybitych, najszybszych elektronów nie zależy od natężenia oświetlenia

3. Energia najszybszych fotoelektronów jest tym większa im większa jest częstotliwość fotonów wywołujących zjawisko.

→ energia kinetyczna wybitego elektronu.

hν - energia kwantu γ (h - stała Plancka, ν - częstotliwość kwantu)

W - energia wiązania elektronu w atomie

E_k - energia kinetyczna wybitego elektornu.

Aby wybić elektron należy mieć jakąś pracę wejściową tego elektronu. Monoenergetyczne kwanty γ wybijają z atomów ośrodka monoenergetyczne elektrony. Na skutek zjawisk zachodzących w scyntylatorze (np. emisja promieni Roentgena), traci on część energii, energia tracona równa jest energii kwantu γ. Zjawisku fotoelektrycznego odpowiada maksimum w widmie energetycznym elektronów odrzutu. Położenie tego maksimum wyznacza energię kwantów γ.

Zjawisko Comptona - polega na rozproszeniu kwantu γ na elektronie. Foton (hν) padając na elektron traci (oddaje mu) tylko część swojej energii, zachowując resztę. Foton zmienia kierunek ruchu i energię, a elektron nabywa energię kinetyczną!

→ zasada zachowania energii.

→ zasada zachowania pędu, gdzie p to wartość pędu uzyskanego przez elektron.

→energia kinetyczna elektronu odrzutu w zależnosci od jego kąta rozproszenia, gdzie α = hν/m_e

Widmo energetyczne elektronów odrzutu jest ciągłe w zakresie od energii zerowej do maksymalnej, odpowiadającej rozproszeniu fotonów od tyłu (krawędź comptonowska).

Maksymalną energię elektronów uzyskamy gdy kąt rozproszenia elektronu = 0, podstawiając E_γ = hν otzrymamay:

Zjawisko tworzenia się par elektron-pozyton - przy dostatecznie dużych energiach kwantów γ, może on ulec przemianie na parę elektron-pozyton. Zjawisko to, nie może zachodzić w próżni. Do jego zajścia potrzebne jest jeszcze trzecie ciało, które mogłoby odebrać część pędu. Energia progowa dla tego zjawiska wynosi 1.02 MeV - czyli równa się sumarycznej energii spoczynkowej elektronu i pozytonu.

1

---