Politechnika Częstochowska

Katedra Fizyki

Ćwiczenie nr 8

Temat: Badanie charakterystyki licznika scyntylacyjnego

dla promieni α.

Wyznaczanie zasięgu cząstek α w powietrzu.

Ćwiczenie wykonali:

1.Natura i własności promieni α.

Promienie α są strumieniem jąder helu , czyli atomów He⁺⁺ dwukrotnie zjonizowanych. Cząstki te mają prędkość rzędu 14000-20000 km/s i energię rzędu kilku MeV (4-10,5 MeV). Zasięg cząsteczek α przechodzących przez powietrze wiąże się ze zderzeniami z atomami gazów powietrza, jonizują je i tracą przy tym energię kinetyczną. Ruch cząstek po linii zbliżonej do prostej trwa dopóty, dopóki ich prędkość nie zrówna się z prędkością ruchu cieplnego cząsteczek powietrza. Dalej poruszają się zygzakowato zgodnie z zasadami ruchu mieszaniny gazów powietrza. Zasięgiem cząstek nazywamy odległość R, jaką cząstki mogą przebyć w danym ośrodku, np. w gazie. Na zasięg cząsteczki wpływa gęstość gazu (decydująca o liczbie zderzeń w jednostce czasu, czyli na jednostkę długości toru) i skład atomowy gazu (do jonizacji bowiem różnych atomów potrzeba jest różna energia). Zasięg cząsteczek α wynosi w powietrzu 2,5-8,6 cm i jest wielkością charakterystyczną dla naturalnych pierwiastków promieniotwórczych

Istnieje ścisły związek pomiędzy energią cząstki poruszającej się w ośrodku a jej maksymalnym zasięgiem. Toru elektronów podczas poruszania się w ośrodku są bardzo złożone. Ze względu na znikomą masę elektronu w porównaniu z masą atomu przy zderzeniu występuje znaczna zmiana kierunku prędkości elektronów, przy równoczesnej zmianie wartości prędkości. Rzeczywista droga elektronu w absorbencie jest średnio kilkakrotnie większa od grubości przebytej warstwy. Natężenie strumienia elektronów poruszających się w danym kierunku zmniejsza się nie tylko na skutek zahamowań ich i wychwyceniu przez atomy, ale także na skutek zmiany kierunku prędkości.

2. Oddziaływanie cząstek α z materią.

Cząstka naładowana przechodząc przez materię oddziałuje z atomami ośrodka. W przypadku, kiedy suma energii kinetycznej cząstki bombardującej i atomu przed i po zderzeniu jest stała, oddziaływanie takie nazywamy sprężystym, jeżeli ulega zmianie - niesprężystym.

Cząstka naładowana może oddziaływać bądź z elektronami atomu, bądź z jądrem. To ostatnie może prowadzić do reakcji jądrowej. Cząstka α, aby przeniknąć do jądra musi mieć energie pozwalającą jej pokonać odpychanie kulombowskie. Wysokość bariery potencjału cząstek α zawiera się w granicach od około 7 MeV dla lekkich jąder do 30 MeV dla jąder ciężkich. Aby cząstka naładowana mogła wniknąć do jądra, winna mieć energię kinetyczną T większą od bariery potencjału:

T>B_k

Istnieje odstępstwo od tej reguły zwane efektem tunelowym.

Zderzając się z elektronem z powłoki atomowej cząstka naładowana przekazuje mu część energii, na skutek tego elektron bądź zostaje oderwany i następuje jonizacja atomu, bądź przechodzi na wyższy poziom energetyczny - następuje wzbudzenie atomu.

3. Budowa i zasada działania licznika scyntylacyjnego.

Cząstki jonizujące, takie jak elektrony, protony, cząstki alfa itp. W niektórych substancjach wywołują krótkotrwałe błyski świetlne, zwane scyntylacjami. Substancja taka zwana jest scyntylatorem min. Monokryształy jodku sodu aktywowanego talem, monokryształu antracenu lub siarczek cynku aktywowany srebrem. Liczba fotonów wyemitowanych przy przejściu cząstki przez scyntylator określona jest przez energię stracona w scyntylatorze. Do rejestracji błysków ze scyntylatora służy fotopowielacz, czyli połączenie fotokomórki ze wzmacniaczem elektronowym. Fotokatoda w fotopowielaczu jest napylona w postaci półprzeźroczystej warstwy na wewnętrznej stronie okienka szklanej bańki próżniowej. Elektrony wybite z fotokatody przez padające na nią fotony są przyśpieszane i skierowane prze pole elektryczne na elektrodę zwaną pierwszą dynodą. Wskutek zjawiska wtórnej emisji, każdy elektron wybija z dynody po kilka elektronów (3-5), które są skierowane na następne dynody, co doprowadza do progresywnego narastania strumienia elektronów. W wyniku tego jeden elektron wybity z fotokatody powoduje dotarcie do ostatniej elektrody, zwanej anodą od 10⁵ do 10⁹ elektronów. Potencjały dynod są ustalane poprzez dołączanie ich do dzielnika napięcia. Jeżeli scyntylator jest przezroczysty i ma odpowiednio dobraną geometrię, a liczba fotonów jest jednoznacznie związana z energią cząstki, to licznik scyntylacyjny może być przyrządem nie tylko wykrywającym promieniowanie jądrowe ale także mierzącym energię cząstek tj. spektrometrem. Jeżeli zachodzi liniowy związek pomiędzy energią cząstki i amplitudą impulsu elektrycznego, to spektrometr nazywa się liniowym.

Schemat blokowy układu pomiarowego.

gdzie:

1.zasilacz wysokiego napięcia (wkładka ZWN-21)

2.przelicznik elektronowy (wkładka P-44 l)

3.licznik scyntylacyjny.

Tabele pomiarowe.

1) Badanie charakterystyki licznika w przedziale napięć 660-1000V.

Napięcie	Tło		^238U+tło		^238U
	mo	zo	m.	z	m-mo	z-zo
[V]	[imp.]	[imp/s]	[imp.]	[imp/s]	[imp.]	[imp/s]
660	0	0	18681	186,81	18681	186,81
675	0	0	74374	743,74	74374	743,74
690	0	0	168493	1684,93	168493	1684,93
705	0	0	267222	2672,22	267222	2672,22
720	0	0	386338	3863,38	386338	3863,38
735	0	0	498590	4985,90	498590	4985,90
750	0	0	604378	6043,78	604378	6043,78
765	0	0	690684	6906,84	690684	6906,84
780	0	0	761133	7611,33	761133	7611,33
795	0	0	830382	8303,82	830382	8303,82
810	0	0	878834	8788,34	878834	8788,34
825	0	0	928565	9285,65	928565	9285,65
840	0	0	965793	9657,93	965793	9657,93
855	0	0	1000353	10003,53	1000353	10003,53
870	0	0	1035112	10351,12	1035112	10351,12
885	0	0	1063793	10637,93	1063793	10637,93
900	0	0	1101802	11018,02	1101802	11018,02
915	0	0	1145571	11455,71	1145571	11455,71
930	0	0	1206129	12061,29	1206129	12061,29
945	0	0	1272645	12726,45	1272645	12726,45
960	0	0	1372645	13726,45	1372645	13726,45
975	0	0	1490916	14909,16	1490916	14909,16
990	0	0	1622012	16220,12	1622012	16220,12
1005	0	0	1756654	17566,54	1756654	17566,54

2) Pomiar zasięgu cząstek  w powietrzu.

X	Tło		^238U+tło		^238U
	mo	zo	m.	z	m-mo	z-zo
[cm]	[imp.]	[imp./s]	[imp.]	[imp/s]	[imp.]	[imp/s]
0	0	0	1243362	12433,62	1243362	12433,62
0,05	0	0	891745	8917,45	891745	8917,45
0,1	0	0	640173	6401,73	640173	6401,73
0,2	0	0	531307	5313,07	531307	5313,07
0,5	0	0	321816	3218,16	321816	3218,16
1	0	0	122023	1220,23	122023	1220,23
1,5	0	0	29601	296,01	29601	296,01
2	0	0	2801	28,01	2801	28,01
2,5	0	0	30	0,30	30	0,30
3	0	0	2	0,02	2	0,02
3,5	0	0	0	0	0	0

4

4

---