POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

LABORATORIUM FIZYKI

Ćwiczenie nr 8.

Temat:

Badanie charakterystyki licznika scyntylacyjnego dla promieni . Wyznaczanie zasięgu cząstek  w powietrzu

Skład grupy:

Wydz. Elektryczny

Gr. II Sem. IV

1.Wastęp teoretyczny.

1.1.Natura i właściwości promieni α.

Rozpad α, występuje zwykle w jądrach o liczbach przewyższających Z=82. Polega na przemianie niestabilnego jądra na nowe jądro przy jednoczesnej emisji cząstek α, czyli jądra . Proces zachodzi samorzutnie, ponieważ jest korzystny energetycznie - masa jądra początkowego jest większa od sumy mas jądra końcowego i cząstki α. Ubytek masy w czasie rozpadu wynika głównie ze zmniejszenia się energii kulombowskiej jądra, gdy jego ładunek Ze maleje o ładunek 2e, unoszony przez cząstkę α. Jeśli zaniedbamy równoważnik masowy energii wiązania elektronów atomowych, to energię E rozpadu α możemy powiązać z masami atomowymi jądra początkowego M_Z,A, jądra końcowego M_Z-2,A-4 oraz cząstki α (M_2,4):

Charakterystyczną cechą cząsteczek jest ich zdolność jonizacji atomów każdego środowiska, przez które cząstki te przechodzą. Schemat urządzenia do pomiaru zdolności jonizacyjnej cząstki α jest przedstawiony na rys.1. .Źródło cząstek α jest umieszczone na dnie kanału walcowego wydrążonego w bloku ołowianym. Z kanału wydostaje się skolimowana wiązka cząstek α i po przebyciu pewnej drogi w powietrzu dostaje się do komory jonizacyjnej, składającej się z 2 elektrod: siatki G i płyty P .W komorze jonizacyjnej mierzy się jonizację wytworzoną w przestrzeni między G i P przez poszczególne cząstki α, a następnie oblicza się wartość średnią jonizacji dla danej odległości źródła. Przez zmianę odległości źródła od komory otrzymuje się krzywą jonizacji przedstawioną na rys.2. Krzywa taka została otrzymana po raz pierwszy przez W. H. Bragga.

P

G

Ołów:

Rys.1. Schemat urządzenia do pomiaru zdolności jonizacyjnej cząstekα.

Rys.2.Krzywa jonizacji dla cząstekαpolonu 210 (krzywa Bragga)

Zasięg R cząstek α danego pierwiastka promieniotwórczego w danym środowisku jest stały. Zasięg cząstki α otrzymuje się przez ekstrapolację prostego odcinka końcowej części krzywej Bragga do jonizacji zerowe. Na rysunku 2 jest to odległość 0A.

Przy końcu krzywej jonizacji widać typowe dla cząstek α narastanie zdolności jonizacji, która w maksimum jest około 2,5 razy większa niż na początku krzywej. Po osiągnięciu maksimum zdolność jonizacyjna szybko opada. Podane przez Geigera proste prawo empiryczne łączące średni zasięg R cząstek α z ich prędkością υ,ma postać: R=aυ³

gdzie: a=9,6*10^-24,jeżeli R wyrażone jest w metrach, zaś υ w m/s.

Między stałą rozpadu λ a zasięgiem R cząstek α istnieje następujący związek empiryczny, znany jako prawo Geigera-Nuttalla: logR=Alogλ+B

gdzie A jest wspólną stałą dla wszystkich rodzin promieniotwórczych, zaś B stałą mającą inną wartość dla każdej rodziny promieniotwórczej.

1.2 Oddziaływanie cząstek α z materią.

Przy przejściu przez dany ośrodek naładowana cząstka α traci część energii kinetycznej na wzbudzenie i jonizację atomów ośrodka. W celu obliczenia strat energii cząstki o ładunku ze i prędkości υ przy jej przejściu przez ośrodek zawierający n elektronów w cm³ załóżmy, że elektrony te są swobodne i znajdują się w spoczynku. Siła, jaka działa między cząstką i elektronem, wynosi , gdzie r jest odległością cząstki i elektronu. Tor cząstki nie zmienia się wskutek jej oddziaływania ze znacznie lżejszym elektronem, przy czym zakładamy, że oddziaływanie trwa tak krótko, iż uzyskuje pęd, nie zmienia zaś swojego położenia. Wypadkowy pęd udzielony elektronowi w kierunku lotu cząstki równa się zeru, ponieważ składa się on z dwóch jednakowych składowych o znakach przeciwnych (odpowiadających zbliżeniu się cząstki do elektronu i oddaleniu się od niego). Elektron może jedynie uzyskać pęd Δp prostopadły do toru cząstki, określony związkiem:

jest prostopadłą do toru cząstki składowej natężenia pola w miejscu, gdzie znajduje się elektron, zaś dt=dx/υ. Stąd:

Stąd:

Energia przekazana elektronowi wynosi:

Pełne straty na jonizację na drodze jednostkowej otrzymujemy ze wzoru:

Z powyższego wzoru wynika, że straty energii wynikające ze zderzeń cząstki ciężkiej z jądrem są do zaniedbania w porównaniu ze stratami przekazywanymi elektronom. Wynika stąd, że straty energii kinetycznej cząstki ciężkiej w zderzeniu z jądrami są do zaniedbania.

Z pewnym przybliżeniem możemy uważać, że strata energii cząstek naładowanych przechodzących przez materię odbywa się w sposób ciągły. Poprawnego obliczenia strat energii - cząstki na jednostkę drogi dokonał Bethe. Według Bethego strata energii cząstki na jednostce drogi (nazywana czasem zdolnością hamującą ośrodka) wyraża się wzorem:

gdzie n oznacza liczbę atomów w 1 cm³absorbenta, Ze-ładunek jądra, I-średnią energię jonizacji, β=υ/c(c-prędkość światła, υ- prędkość cząstki), m- masę elektronu, ε₀- stałą dielektryczną ośrodka.

1.3 Budowa i zasada działania licznika scentylacyjnego.

Zasada działania detektora scentylacyjnego polega na wykorzystaniu własności luminescencyjnych niektórych ciał. Proces luminescencji może odbywać się dwiema drogami. Jeżeli wzbudzony atom powraca do stanu pierwotnego po czasie określonym przez fluktuacje statystyczne, proces taki nazywamy fluorescencją Jeżeli przejście z danego stanu wzbudzonego do stanu podstawowego jest wzbronione, przejście do stanu podstawowego odbywa się przez stan wyższy energetycznie dozwolony. Proces taki nazywa się fosforoescencją. Pod wpływem promieniowania mamy zazwyczaj z fluorescencją.

2. Przebieg ćwiczenia

Schemat blokowy układu pomiarowego.

gdzie:

1.zasilacz wysokiego napięcia (wkładka ZWN-21)

2.przelicznik elektronowy (wkładka P-44 l)

3.licznik scyntylacyjny.

Tabele pomiarowe.

Napięcie	Tło		^238U+tło		^238U
	m0	z0	m	z	m.-m0	z-z0
V	imp.	imp./s	imp.	imp./s	imp.	imp./s
660	0	0	13137	131,37	13137	131,37
675	0	0	40777	407,77	40777	407,77
690	0	0	86394	863,94	86394	863,94
705	0	0	146701	1467,01	146701	1467,01
720	0	0	239457	2394,57	239457	2394,57
735	0	0	339895	3398,95	339895	3398,95
750	0	0	439581	4395,81	439581	4395,81
765	0	0	528452	5284,52	528452	5284,52
780	0	0	607456	6074,56	607456	6074,56
795	0	0	680080	6800,80	680080	6800,80
810	0	0	725736	7257,36	725736	7257,36
825	0	0	774424	7744,24	774424	7744,24
840	0	0	813028	8130,28	813028	8130,28
855	0	0	846905	8469,05	846905	8469,05
870	0	0	878233	8782,33	878233	8782,33
885	0	0	909671	9096,71	909671	9096,71
900	0	0	941275	9412,75	941275	9412,75
915	0	0	979061	9790,61	979061	9790,61
930	0	0	1018974	10189,74	1018974	10189,74
945	0	0	1071656	10716,56	1071656	10716,56
960	0	0	1135209	11352,09	1135209	11352,09
975	0	0	1224219	12242,19	1224219	12242,19
990	0	0	1356673	13566,73	1356673	13566,73
1000	0	0	1464418	14644,18	1464418	14644,18

X	Tło		^238U+Tło		^238U
	m0	z0	m	z	m.-m0	z-z0
cm	imp.	imp./s	imp.	imp./s	imp.	imp./s
0	0	0	462856	4628.56	462856	4628.56
0.05	0	0	336332	3363.32	336332	3363.32
0.1	0	0	299392	2993.92	299392	2993.92
0.15	0	0	298338	2983.38	298338	2983.38
0.2	0	0	292579	2925.79	292579	2925.79
0.25	0	0	260142	2601.42	260142	2601.42
0.3	0	0	236582	2365.82	236582	2365.82
0.35	0	0	208615	2086.15	208615	2086.15
0.4	0	0	167024	1670.24	167024	1670.24
0.45	0	0	136832	1368.32	136832	1368.32
0.5	0	0	117299	1172.99	117299	1172.99
1	0	0	59235	592.35	59235	592.35
1.5	0	0	9141	91.41	9141	91.41
2	0	0	468	4.68	468	4.68
2.5	0	0	8	0.08	8	0.08
3	0	0	1	0.01	1	0.01
3.5	0	0	0	0	0	0

Charakterystyka licznika scyntylacyjnego:

Up = 870 V

Charakterystyka zasięgu promieni α

Grubość absorbenta, przy której liczba zliczeń jest równa zero R = 3,5 cm

Średni zasięg: (z₀-z)max / 2 = 4628.56 / 2 = 22314.28 ⇒ R_śr ≈ 0.3 cm

Zasięg ekstrapolowany: R_c ≈ 0.75 cm

3. Wnioski :

Powyższe ćwiczenie pozwoliło nam na zbadanie wpływu napięcia zasilającego na liczbę zliczeń w jednostce czasu oraz wyznaczenie zasięgu cząstek  w powietrzu.

Na podstawie wykonanych pomiarów wykonaliśmy charakterystykę napięciowo -zliczeniową licznika scyntylacyjnego , która stanowi podstawę wyboru optymalnych warunków pracy licznika. Napięcie progowe odczytane z wykresu ma wartość Up = 870 V

W drugiej części ćwiczenia wyznaczaliśmy zasięg cząstek α w powietrzu. W tym celu sporządziliśmy wykres zależności (z - z_o) od odległości ( x ) preparatu od licznika. Na podstawie tej charakterystyki zaobserwować można, że przy dostatecznie dużej grubości absorbentu znajdującego się między źródłem cząstek α i detektorem żadna z cząstek (o danej energii początkowej ) nie dotrze do detektora. Minimalna grubość absorbentu powodująca całkowite pochłonięcie wiązki jest równa zasięgowi R. Znaczy to że na drodze równej tej grubości cząstki  tracą całą swoją energię kinetyczną . W naszym przypadku R = 3,5 cm, czyli zasiąg tych cząstek jest niewielki. Możemy również stwierdzić, że promieniowanie wywołane tymi cząstkami nie jest zbyt groźne gdyż możemy je powstrzymać już cienką warstwą materiału.

---