POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

Ćwiczenie nr 1

Temat: Wyznaczanie energii promieniowania γ metodą

połówkowego osłabienia.

Skład grupy:

1. Wiadomości podstawowe.

a) Oddziaływanie promieniowania gamma z materią

Zjawisko fotoelektryczne - proces niesprężysty , w którym elektron związany z atomem przyjmuje całkowitą energię fotonu. W zjawisku fotoelektrycznym wywołanym przez promieniowanie X czy γ energia kwantu h zostaje całkowicie pochłonięta przez atom i przekazana jednemu z elektronów , który uzyskuje energię kinetyczną E = h-W , gdzie W oznacza energię wiązania danego elektronu. Zjawisko fotoelektryczne jest możliwe jeżeli h >W.

b) Zjawisko Comptona - proces niesprężystego rozproszenia przez swobodne elektrony. Jeżeli energia fotonów h jest mniejsza od energii wiązania elektronów w atomie , to fotony doznają rozproszenia klasycznego bez zmiany energii. Gdy energia fotonów przekracza energię wiązania elektronów , rozproszenie klasyczne przechodzi w rozproszenie komptonowskie i wówczas foton rozproszony traci pewną część energii na rzecz wytrąconego elektronu. Przy energiach fotonu h dużych w porównaniu z energią wiązania elektronów nie popełnia się dużego błędu traktując elektrony związane z atomami jako elektrony swobodne.

c) Zjawisko tworzenia par - proces niesprężystego oddziaływania fotonów z polem elektrycznym jąder , którym całkowita fotonu zostaje przekazana parze elektron - pozyton. Proces ten zachodzi przy energiach fotonów większych od 2mc² = 1.02 MeV wtedy część energii absorbowanego kwantu jest zużywana na utworzenie masy pary elektron - pozyton , a resztę energii zatrzymuje para jako energię kinetyczną.

PRAWO POCHŁANIANIA DLA PROMIENIOWANIA

Współczynniki pochłaniania - przy przejściu promieni X lub γ przez materię zachodzi charakterystyczna dla promieniowania elektromagnetycznego absorbcja wykładnicza, w odróżnieniu od absorbcji naładowanych cząstek , dla których istnieje określony związek między energią i zasięgiem. Dla danej długości fali zależność natężenia wiązki przepuszczonej przez absorbent od grubości x absorbenta ma postać

I = I₀e^-ux

gdzie:

I - natężenie wiązki , która przechodzi przez absorbent

x - grubość

I₀ - natężenie wiązki padającej

u - stała dla danej długości fali , zwanej liniowym całkowitym współczynnikiem absorbcji.

Poprzez zróżniczkowanie powyższego wzoru otrzymamy:

Czasem używa się wielkości , ,, która nazywa się masowym współczynnikiem absorbcji (pochłaniania).

DELEKTORY

Delektorami nazywamy liczniki pozwalające na rejestrację przejścia cząstki przez urządzenie detekcyjne bez możliwości prześledzenia toru tej cząstki. Rejestracja odbywa się za pomocą impulsu elektrycznego , powstającego bądź to wskutek wytworzenia ładunku elektrycznego bezpośrednio przy przejściu cząstki , bądz to uzyskanego za pośrednictwem zjawiska fotoelektrycznego z błysku świetlnego , towarzyszącego przechodzeniu cząstki przez pewne materiały.

Wyróżniamy :

- liczniki jonizacyjne - rejestruje prąd jonów wytworzony w gazie między okładkami kondensatora przy przejściu cząstki jonizującej.

- liczniki półprzewodnikowe

a) detektory z barierą powierzchniową

b) detektory typu dyfuzyjnego

c) detektory dryfowe

- liczniki scyntylacyjne

a) nieorganiczne

b) organiczne

c) gazowe

- detektory neutronów

Budowa licznika Geigera-Müllera.

Licznik Geigera-Müllera, czyli licznik G-M, gazowy detektor promieniowania jonizującego, pracujący w zakresie napięcia wyładowania koronowego. Najczęściej jest to kondensator cylindryczny wypełniony gazem szlachetnym. Katodę stanowią zewnętrzne ścianki, anodę cienki drut przebiegający w osi symetrii. Wokół centralnej elektrody (anody) istnieje silne, niejednorodne pole elektryczne, wywołane przyłożonym napięciem. Pojawienie się w tym obszarze swobodnego elektronu (np. w wyniku przejścia cząstki promieniowania jonizującego) inicjuje wyładowanie koronowe, ilość wytworzonych w nim swobodnych elektronów zależy wyłącznie od parametrów detektora, nie zależy od energii jonizującej cząstki. Wyładowanie jest “gaszone” dzięki domieszkom wieloatomowych cząstek organicznych, np. alkoholu (w tzw. detektorach samogasnących) lub poprzez obniżenie napięcia (w tzw. detektorach niesamogasnących).

2. Przebieg ćwiczenia.

1. Schemat blokowy układu pomiarowego.

gdzie: I - licznik Geigera - Müllera

II - przelicznik PT-72

III - zasilacz wysokiego napięcia ZWN-42

2.2. Tabele pomiarowe.

miedz			ołów
ilość płytek	dn	Zn	ilość płytek	dn	Zn
----	[ mm ]	[imp/100sek	---	[mm]	imp/100sek
0	0	1710	0	0	1642
1	1	1491	1	3,14	1397
2	1,43	1429	2	3,21	1183
3	1,42	1358	3	3,18	1052
4	1,95	1356	4	3,19	939
5	1,95	1310	5	3,15	806
6	1	1244	6	3,19	653
7	1,91	1098	---	---	---
8	1,94	1140	---	---	---
9	1,93	1041	---	---	---
10	4,82	916	---	---	---
11	4,86	738	---	---	---
12	4,79	637	---	---	---

d_n - grubość poszczególnych płytek

Z_n - liczba zliczeń przy włożeniu n - płytek

Zt - liczba zliczeń dla tła ( Zt = 22 [imp/100sek] )

t = 100 [ s ]

2.3 Opracowanie wyników

miedź						ołów
d=Σdn/n	d=ndr	Nn=Zn/t	Nt=Zt/t	logNn		d=Σdn/n	d=ndr	Nn=Zn/t	Nt=Zt/t	log Nn
[mm]	[mm]	imp/sek	Imp/sek	---		[mm]	[mm]	imp/sek	imp/sek	---
0	0	15,49	0.22	1,19		0	0	15,84	0.22	1,19
2,4	1	14,90	0.22	1,17		3,18	3,17	13,00	0.22	1,11
2,4	2,84	13,00	0.22	1,11		3,18	6,3	11,00	0.22	1,04
2,4	3	12,79	0.22	1,10		3,18	9,69	10,23	0.22	1,00
2,4	5,8	12,39	0.22	1,09		3,18	12,8	8,46	0.22	0,92
2,4	9,6	12,20	0.22	1,08		3,18	15,9	7,19	0.22	0,85
2,4	13,51	10,56	0.22	1,02
2,4	15,2	10,40	0.22	1,01
2,4	17,28	9,74	0.22	0,98
2,4	48	8,39	0.22	0,92
2,4	53,13	7,64	0.22	0,88
2,4	56,88	6,67	0.22	0,82

2.4 Wykresy.

2.5 Przykłady obliczeń.

t=100[sek]

d = Σd_n/n = 28,92/12 = 2.41[mm]

N_n = Z_n/t = 1710/100 = 17,10 [imp/sek]

N_t = Z_t /t = 22 / 100 = 0.22 [imp/sek]

2.6 Wyznaczenie współczynnika pochłaniania:

Grubości połówkowe odczytane z wykresu

- dla miedzi - d_1/2 = 32 mm

- dla ołowiu - d_1/2 = 14.8 mm

Podstawiając wartości otrzymujemy:

7. Odczytujemy współczynniki kierunkowe prostej.

a = μ ⋅lne

- dla miedzi - a = 0,316⋅ 0,999 = 0,316 1/cm

- dla ołowiu - a = 0,47⋅ 0,999 = 0,469 1/cm

8. Obliczenie masowego współczynnika osłabienia.

- dla miedzi -

- dla ołowiu -

Wstawiając otrzymane wyniki do tabeli odczytujemy energię promienia dla źródła użytego w ćwiczeniu. Energia ta wynosi: E = 3,0 MeV

3. Wnioski:

Przeprowadzone ćwiczenie pozwoliło nam na wyznaczenie energii promieniowania γ metodą połówkowego osłabienia. Polega ona na wyznaczeniu grubości połówkowych pochłaniaczy ( d_1/2 - z wykresów N = f(d) ), oraz wyznaczeniu współczynnika pochłaniania μ dla poszczególnych materiałów. Znając gęstości tych materiałów obliczamy masowy współczynnik osłabienia ( atenaucji ) który po przeliczeniu daje energię promieniowania używanego źródła. Z otrzymanych wyników pomiarów wynika , że energia promieniowania dla źródła używanego w naszym ćwiczeniu wynosi 3 MeV.

1

8

---