POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

Ćwiczenie nr 7

Temat: Wyznaczanie widma promieniowania γ za pomocą

jednokanałowego spektrometru.

I. Wstęp teoretyczny

Natura i własności promieniowania .

Promieniowaniem γ nazywamy krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne, emitowane przy przejściach jąder ze wzbudzonych stanów energetycznych do stanu podstawowego lub do niższych stanów wzbudzonych, a także przy reakcjach jądrowych. Fale elektromagnetyczne mają bardzo małe długości, mogą przenikać w głąb ośrodka i powodować jego jonizację. Promieniowanie nie występuje jako samodzielny rodzaj promieniotwórczości, towarzyszy ono procesom rozpadu i , przy czym nie powoduje zmiany ładunku i liczby masowej jąder. pochodzenie i własności promieniowania potwierdzone są przez prawidłowości konwersji wewnętrznej promieniowania zjawiska fotoelektrycznego na elektronach powłok wewnętrznych atomu pod wpływem promieniowania jego jądra. elektrony uzyskiwane na skutek takiego wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego nazywamy elektronami konwersji. W wielu przypadkach cała energia promieniowania zużywana jest na konwersję wew. i zamiast promieniowania obserwujemy jedynie elektrony konwersji. Rezultat konwersji wewnętrznej stanowi utratę elektronów z wewnętrznych powłok atomu i w konsekwencji powstanie warunków do emisji linii rentgenowskiego widma charakterystycznego.

Oddziaływanie promieniowania z materią.

Przejściu promieni przez materię towarzyszą trzy podstawowe zjawiska:

- zjawisko fotoelektryczne polegające na oddziaływaniu promieni z elektronami związanymi w atomie i prowadzące do całkowitej absorpcji kwantu promieniowania i oderwania elektronu od atomu,

- rozpraszanie kwantów , przy czym znaczenie ma zjawisko Comptona, związane z rozpraszaniem nieelastycznym, w którym foton zmienia kierunek ruchu jak i energię,

• zjawisko tworzenia pary elektronów, w którym foton ulega całkowitej absorpcji a pojawia się para elektron-pozyton.

Przy przejściu promieni przez materię, zachodzi charakterystyczne dla promieniowania elektromagnetycznego absorpcja wykładnicza. Dla danej długości fali, zależność natężenia wiązki przepuszczalnej przez absorbent o grubości x ma postać: I=I₀ e^-X

I - natężenie wiązki, która przeszła przez absorbent

I₀ - natężenie wiązki padającej na absorbent

x - grubość absorbentu

- stały dla danej długości fali liniowy całkowity współczynnik atenuacji.

Powyższy wzór nazywany jest prawem osłabienia. Po zróżniczkowaniu otrzymamy:

= -1dl /Idx

- liniowy współczynnik absorpcji.

Używa się też wielkości

/ = - masowy współczynnik absorpcji

Budowa i zasada działania licznika scyntylacyjnego.

Do detekcji promieniowania powszechnie stosowany jest detektor scyntylacyjny. Zasada działania polega na wykorzystaniu własności luminescencyjnych niektórych ciał. Działanie licznika scyntylacyjnego można opisać następująco: promieniowanie jądrowe padające na scyntylator wywołuje w nim błysk świetlny przez oddziaływanie z jego atomami. Błysk ten wyzwala z katody fotopowielacza elektrony. Powstający impuls prądu fotoelektrycznego zostaje wzmocniony przez zjawisko emisji wtórnej w fotopowielaczu i przekazany przez wtórnik katodowy na wzmacniacz zewnętrzny. Wzmocniony do wysokości kilkudziesięciu wolt impuls rejestrowany jest w przeliczniku lub wielokanałowym analizatorze amplitudy. Fotopowielacz zasilany jest z zasilacza wysokiego napięcia o dużej stabilności.

Liczniki scyntylacyjne odznaczają się wieloma cennymi zaletami, do których w pierwszym rzędzie należy prostota ich konstrukcji, proporcjonalność wysokości impulsu do energii, dzięki czemu mogą być użyte dla celów spektroskopii, krótki czas narastania impulsów.

Powstawanie błysku świetlnego w scyntylatorze nazywamy luminescencją. Rozróżniamy przy tym dwa typy luminescencji:

a) Fluorescencja, gdy czas wyświecania jest bardzo krótki.

b) Fosforescencja, gdy stan wzbudzony powstający przez oddziaływanie z promieniowaniem jest stanem meta trwałym, w związku z czym wyświecenie następuje z pewnym opóźnieniem Ten typ luminescencji nie nadaje się dla konstrukcji liczników scyntylacyjnych.

Drugim elementem licznika scyntylacyjnego jest fotopowielacz elektronowy. Błysk scyntylacyjny w scyntylatorze powoduje wybicie fotoelektronów z katody fotopowielacza. Katody te wykonane są z materiałów o dużej wydajności fotoelektrycznej. Powstający impuls elektryczny jest bardzo mały i musi być silnie wzmocniony.

W fotopowielaczu wzmocnienie to następuje już w samej lampie, dzięki wykorzystaniu zjawiska wtórnej emisji elektronów. Jeżeli mianowicie elektron pada z pewną energią na płytkę pokrytą substancją łatwo emitującą elektrony może wybijać z niej kilka elektronów wtórnych. Umieszczając w fotopowielaczu kilka takich elektrod emisji wtórnej, tzw. dynod, możemy otrzymać bardzo duże wzmocnienia. Elektrony emitowane z dynody muszą być skupione na dynodzie następnej, co uzyskujemy przez ogniskowanie elektrostatyczne w odpowiednio uformowanym polu między dynodami, którym nadajemy w tym celu różne kształty.

Warunkiem dobrej rejestracji cząstki wtórnej jest, by wymiary scyntylatora zapewniały całkowite oddanie energii E_I cząstki wtórnej. Cześć energii zostaje zużyta na jonizację i częściowo na dysocjację. W scyntylatorze energia E zostaje wyemitowana w postaci kwantu o energii E_p= h. Liczba cząstek zarejestrowanych przez układ współpracujący z licznikiem jest zależna od wzmocnienia impulsu fotopowielacza, a to z kolei zależy od napięcia na fotopowielaczu.

Spektrometria promieniowania .

Spektrometria promieniowania jądrowego ma na celu wyznaczenie widma elektrycznego źródła, tj. funkcji N(E). Metody stosowane w spektrometrii podzielić można na dwie grupy: spektrometry magnetyczne oraz spektrometry wykorzystujące „czułość” energetyczną detektora. Jeżeli energia promieniowania przekracza 2m₀C² występuje jeszcze jeden pik związany z elektronami par. Bardzo często spotyka się widma emitujące więcej niż jeden kwant o różnej energii.

Zasada działania analizatora amplitudy impulsów.

Analizowany impuls, przez wzmacniacz przechodzi do układu dwóch dyskryminatorów progowych. Próg pierwszego ustawiany jest na poziomie (U) a drugiego na (U+U'). Jeżeli impuls wejściowy mieści się pomiędzy nap. U+U' to zostaje uruchomiony układ antykoincydentny (AK) i otrzymamy standardowy sygnał na wyjściu analizatora. W przeciwnym wypadku sygnał nie przejdzie przez analizator. Napięcie U nazywamy napięciem progu napięcie U'- napięciem okienka. Napięcie progu można zmieniać w szerokich granicach ( do 100 V) co pozwala na analizowanie niedużych amplitud. Szerokość okienka (regulowana zwykle do 3 V) określa dokładność analizy amplitudy.

II. Tabela Pomiarowa

Preparat `Cs^137'		Preparat `X'
Napięcie progu	Liczba zliczeń	Napięcie progu	Liczba zliczeń
Up[V]	N	Up[V]	N
1,5	944	4,0	457
1,6	839	4,1	476
1,7	794	4,2	462
1,8	793	4,3	434
1,9	725	4,4	390
2,0	763	4,5	408
2,1	591	4,6	358
2,2	467	4,7	427
2,3	327	4,8	450
2,4	246	4,9	515
2,5	182	5,0	572
2,6	268	5,1	639
2,7	464	5,2	646
2,8	765	5,3	618
2,9	1360	5,4	610
3,0	1760	5,5	769
3,1	1599	5,6	779
3,2	936	5,7	236
3,3	413	5,8	1
3,4	106	5,9	0
3,5	36	6,0	0
3,6	42	6,1	0
3,7	36	6,2	1
3,8	24	6,3	3
3,9	23	6,4	0
4,0	26	6,5	0

III. Wykresy

IV. Obliczenia

Obliczanie energii maksimów

Wiedząc, że pierwszemu maksimum dla preparatu „Cs 137” o napięciu progu U_P= 3,2 [V] odpowiada energia E= 0,662 [MeV] z równania proporcji obliczamy energię pierwszego maksimum dla preparatu „X” ze wzoru :

gdzie : U_P - napięcie progu preparatu „Cs 137”

U_PX - napięcie progu preparatu „X”

energia pierwszego maksimum preparatu „X” wynosi:

E_{X 1} = 1,075 [MeV]

energia drugiego maksimum wynosi:

E_{X 2} =1,1585 [MeV]

Obliczanie amplitudowej zdolności rozdzielczej spektrometru

ΔU - szerokość połówkowa

U - maksimum

dla preparatu Cs ΔU = 0,38 [V] i U = 3 [V]

R₁ = 12,66 %

dla preparatu X ΔU2 = 1,37 [V] i U = 5,2[V]

R₂ = 26,34 %

ΔU2 = 0,39 [V] i U = 5,6[V]

R₃ = 6,96 %

V. Wnioski.

Ćwiczenie to miało na celu wyznaczenie widma promieniowania γ za pomocą spektrometru. Badane były dwie próbki , z których jedną znaliśmy i był nim pierwiastek cez `Ce<sup>137</sup>', oraz druga nieznana oznaczona przez `X'. Dla tych dwóch pierwiastków narysowaliśmy kształty widm. Na wykresie drugim przedstawiającym zależność N = f(U_P) otrzymaliśmy pewne widmo nieznanego nam pierwiastka. Zestawiając nasze widmo `X' z kilkoma widmami najczęściej używanych pierwiastków możemy zauważyć, że nasze widmo `X' swoim charakterem jest zbliżone do widma pierwiastka kobalt `Co<sup>60</sup>'.Amplitudowa zdolność rozdzielcza spektroskopu wyniosła dla cezu 12,66 %, a dla `X' odpowiednio 26,34 % i 6,96 %, natomiast energie maksimów dla `X' odpowiednio 1,075 i 1,158 [MeV].

---