Laboratorium z fizyki Aneta Radek

Sprawozdanie z �wiczenia nr 60. In�ynieria Œrodowiska

DETEKCJA PROMIENIOWANIA J�DROWEGO ZA POMOC� LICZNIKA

GEIGERA - MULLERA

1. Cel �wiczenia:

Celem �wiczenia jest:

• zapoznanie si� z zasadami detekcji promieniowania j�drowego;

• wyznaczenie parametr�w pracy licznika Geigera - Mullera;

• zapoznanie si� ze statystycznym charakterem proces�w rozpad�w j�drowych;

2. Podstawy teoretyczne:

Promieniotw�rczoœci� nazywany zjawisko spontanicznej emisji promieniowania j�drowego z j�der atomowych. Ze zjawiskiem tym wi��e si� bezpoœrednio emisja cz�stek:

•  - kt�re s� dwukrotnie zjonizowanymi atomami helu, czyli jego j�drami. Ich liczba masowa wynosi A = 4, natomiast atomowa Z = 2. Poruszaj� si� one z pr�dkoœci� blisk� 10⁷ m/s, a ich energia zawiera si� w przedziale (w zale�noœci od emitera ) 4 -9 MeV.Poza tym charakteryzuj� si� du�ymi zdolnoœciami jonizuj�cymi (jedna cz�stka  daje w zale�noœci od swojej energii od 150 - 250 tyœ par jon�w na 1 mm drogi ) oraz bardzo ma�ym zasi�giem ( 6 - 7 cm w powietrzu w warunkach normalnych);

• ₊ - jest to strumie� dodatnich elektron�w ( pozyton�w ) o �adunku +e i masie elektronu. Ich energia osi�ga wartoœci z przedzia�u 0,05 - 4 MeV;

• _- - s� to elektrony wyrzucane z j�der z pr�dkoœci� 100.000 - 300.000 km/s i energii z przedzia�u 0,01 - 10 MeV;

• Wychwyt E - jest to proces polegaj�cy na wychwycie przez j�dro elektronu z orbitalu L lub K;

•  - jest to kwant energii wyrzucany z j�dra z pr�dkoœci� c. D�ugoœ� fal tego promieniowania zawarta jest mi�dzy 5*10^-13 - 4*10^-11.

Poszczeg�lne promieniowania charakteryzuj� si� specyficznym sposobem oddzia�ywania z materi�. Wœr�d konsekwencji oddzia�ywania promieniowania z danym oœrodkiem mo�na wymieni�: jonizacj�, wzrost temperatury czy skutki fotograficzne. Zjawiska te sta�y si� podstaw� procesu detekcji, czyli identyfikacji lub lokalizacji cz�stek za pomoc� urz�dze� zwanych detektorami. Najpowszechniejsze z nich wykorzystuj� w swojej pracy zdolnoœci jonizacyjne cz�stek aktywnych.

Zasadniczymi cz�œciami licznika jonizuj�cego jest katoda w postaci metalowego cylindra, oraz anoda - cienki drucik rozci�gni�ty wzd�u� osi katody. Wewn�trz znajduje si� gaz szlachetny (np. argon) oraz domieszki gaz�w wieloatomowych (np. pary alkoholu). Do elektrod przy�o�one jest napi�cie powoduj�ce wytworzenie w uk�adzie pola elektrycznego skoncentrowanego wok� anody ( œcis�a koncentracja pola wok� anody powoduje przerwanie obwodu pr�du ).

Przejœcie cz�stki jonizuj�cej przez uk�ad powoduje jonizacj� cz�stek oœrodka, kt�re jako jony, dzi�ki napi�ciu przyspieszaj�cemu przemieszczaj� si� do katody zamykaj�c obw�d pr�du. Powstaje tym samym impuls pr�du, kt�rego wartoœ� zale�y od rodzaju i iloœci cz�stek, a kt�ry mo�na dzi�ki urz�dzeniu przeliczaj�cemu zinterpretowa� pod k�tem zaistnia�ego promieniowania.

Charakter pracy licznika zale�y od przedzia�u napi�cia przy�o�onego do elektrod:

impulsy

napi�cie

• U0 - U1 - napi�cie jest zbyt ma�e, aby wszystkie cz�stki zjonizowane dotar�y do katody;

• U1 - U2 - wszystkie cz�stki zjonizowane docieraj� do katody, niezale�nie od wartoœci napi�cia z rozpatrywanego przedzia�u;

• U2 - U4 - zjawisko jonizacji wt�rnej wywo�anej przez cz�stki zjonizowane przez badan� cz�stk� - tzw. wzmocnienie gazowe. Wartoœ� impuls�w zale�y od zdolnoœci jonizuj�cych cz�stki;

• U4 - U5 - wzmocnienie gazowe zale�y ju� tylko od wartoœci przy�o�onego napi�cia, przez co mo�emy jedynie odnotowa� fakt obecnoœci promieniowania, bez rozr�nienia na konkretne rodzaje - w tym zakresie pracuje licznik G - M;

• powy�ej U5 - impuls wyst�puje ju� zawsze niezale�nie od obecnoœci cz�stek aktywnych - zakres nieprzydatny w konstrukcji detektor�w;

Zale�noœ� zliczonych impuls�w w jednostce czasu od wartoœci przy�o�onego napi�cia nazywa si� charakterystyk� licznika G - M. wartoœ� napi�cia z przedzia�u U_a - U_b nazywa si� plateau licznika i niezale�nie od napi�cia iloœ� impuls�w na tym przedziale pozostaje sta�a. Dla dobrych licznik�w d�ugoœ� plateau wynosi 150 - 200 V, a jego nachylanie 2 -3 %., obliczone ze wzoru:

S = ;

S - nachylenie plateau;

N - r�nica szybkoœci zlicze� na ko�cach przedzia�u;

N_p - szybkoœ� zlicze� na œrodku przedzia�u;

U - d�ugoœ� plateau;

Opr�cz impuls�w pochodz�cych od badanego promieniowania wyst�puje zawsze tzw. bieg w�asny licznika ( t�o ).Jest to spowodowane promieniowaniem kosmicznym, zanieczyszczeniami promieniotw�rczy materia�u licznika, oraz promieniowaniem Ziemi.

3. Przebieg doœwiadczenia:

3.1. W pierwszej cz�œci doœwiadczenia wyznaczaliœmy charakterystyk� licznika Geigera - Millera.

Pomiary polega�y na badaniu iloœci impuls�w w czasie t = 100 s przy zmianach napi�cia

przy�o�onego do elektrod licznika:

WYNIKI:

pomiar L.p.	napi�cie U [ v ]	impulsy [ N / 100s ]
1.	331	0
2.	332	166
3.	333	177
4.	341	206
5.	351	189
6.	361	190
7.	371	168
8.	381	171
9.	391	192
10.	401	188
11.	411	185
12.	421	183
13.	431	190
14.	441	215
15.	451	197
16.	460	188

Na podstawie wynik�w pomiaru oszacowaliœmy d�ugoœ� plateau odpowiadaj�c� przedzia�owi napi�cia (330V - 460V).

3.2. Z wyznaczonego przedzia�u wybieramy wartoœ� napi�cia z œrodka plateau U = 400V dla kt�rej nast�pnie przeprowadzamy 60 pomiar�w przy czasie t = 40 s:

WYNIKI:

pomiar i	impulsy [ Ni / 40s ]	b��d Ni	pomiar i	impulsy [ Ni / 40s ]	b��d Ni
1.	82		31.
2.	62		32.
3.	85		33.
4.	88		34.
5.	112		35.
6.	88		36.
7.	65		37.
8.	73		38.
9.	75		39.
10.	90		40.
11.	58		41.
12.	73		42.
13.	84		43.
14.	69		44.
15.	79		45.
16.	72		46.
17.	80		47.
18.	84		48.
19.	84		49.
20.	83		50.
21.	64		51.
22.	84		52.
23.	93		53.
24.	75		54.
25.	80		55.
26.	72		56.
27.	68		57.
28.	60		58.
29.	80		59.
30.	97		60.

3.3. Œr63ednia iloœ� zlicze� w czasie t = 40s i przy napi�ciu U = 400V dla n = 60 ( liczba pomiar�w )

N_sr = " 51 [imp / 40s ]

Œredni b��d kwadratowy pojedynczego pomiaru:

_i =

Spoœr�d wykonanych 60 pomiar�w wynik 43 ( 71,(6)% ) r�ni� si� od wartoœci œredniej o wartoœ� mniejsz� ni�  (  " 8), natomiast dla 17 ( 28,(3)% ) rozrzut by� wi�kszy lub r�wny 8

Odchylenie standartowe :

 = ;

3.4. Statystyczna charakterystyka rozrzutu wynik�w pomiar�w:

(N)j	33 - 39	40 - 45	46 - 51	52 - 57	58 - 63	64 - 69
(n)j	4	15	14	13	12	2

Objaœnienia do tabelki:

Wartoœci zlicze� w naszych pomiarach przyjmowa�y wartoœci od 33 do 69 impuls�w w czasie t=40 s przy napi�ciu U = 400V.Otrzymany zakres podzieliliœmy na 6 przedzia��w, kt�rych granice okreœla (N)_j . Natomiast (n)_j - to liczba pomiar�w w kt�rych uzyskano wynik zawarty w danym przedziale.

Graficzn� ilustracj� wynik�w jest histogram:

liczba pomiar�w

wartoœci liczby zlicze�

4. Wnioski ko�cowe:

Pomiary w naszym �wiczeniu wykonywaliœmy przy pomocy elektronicznego licznika zliczaj�cego impulsy, dzi�ki czemu wyniki bada� s� doœ� precyzyjne. Zastosowanie tego przyrz�du pozwoli�o wyeliminowa� fa�szywe impulsy wynikaj�ce z oddzia�ywa� foton�w promieniowania ultrafioletowego, a tak�e zminimalizowa� czas martwy licznika Geigera - Mullera.

Dla mniejszych wartoœci napi�cia przyspieszaj�cego na plateau licznika jony otrzymaliœmy co prawda nieco r�zne wartoœci liczby impuls�w, ale wynika to najprawdopodobniej z braku konkretnego �r�d�a promieniowania j�drowego. Badania nie by�y prowadzone w obecnoœci pierwiastka promieniotw�rczego, a zanotowane impulsy s� ilustracj� t�a licznika pochodz�cego od promieniowania Ziemi, kosmicznego i pochodz�cego od materia�u licznika. Ostatecznie jednak wyznaczone plateau licznika ( poza pewnymi odst�pstwami jest prost� o nachyleniu charakterystycznym dla licznik�w dobrych. D�ugoœ� plateau ( 130V ) te� œwiadczy o klasie licznika.

B��d pomiaru dla sta�ej wielkoœci napi�cia z œrodka plateau jest niewielki ( 8 impuls�w ), co pozwala uzna� dokonane pomiary za poprawne, tym bardziej, �e wynik ponad 71 % pr�b posiada� b��d mniejszy od œredniego ( kwadratowego ).

O poprawnoœci wynik�w œwiadczy tak�e ich zgodnoœ� z prawami statystycznymi prawdziwymi dla tego doœwiadczenia ( co przedstawiona na histogramie ).

---