53 (74)

Ćwiczenie 53

Pomiar absorpcji promieniowania beta za pomocą licznika Geigera- Müllera

Wstęp teoretyczny

W przyrodzie na ogół spotykamy się z materią zabudową z trwałych atomów. Istnieją również pierwiastki zwane promieniotwórczymi, których jądra ulegają samorzutnie rozpadowi, zmieniając się w inne pierwiastki poprzez emisję promieniowania. Rozróżniamy trzy rodzaje promieniowania jądrowego oznaczone literami alfabetu greckiego: α, β, γ.

Promieniowanie α to jądra atomów helu. Są to cząstki zbudowane z dwóch protonów i dwóch neutronów. Cząstki α powstają w wyniku przemiany jądra macierzystego na jądro pochodne o zmieszonej liczbie atomowej w stosunku do jądra macierzystego o dwie jednostki i liczbie masowej o cztery. Liczba masowa to łączna liczba neutronów i protonów w jądrze atomowym. Liczba atomowa jest równa liczbie protonów w jądrze i określa tym samym jego ładunek- dlatego często nazywana jest liczbą ładunkową.

Wszystkie cząsteczki α emitowane w rozpadzie mają jednakową energię, równą różnicy stanów energetycznych jąder przed i po rozpadzie. Mówimy wtedy, że widmo energetyczne cząstek α jest liniowe (w pomiarze obserwujemy jedną linię widmową). Cząstki α przechodząc przez materię silnie ją jonizują i tracą przy tym energię kinetyczną- przez to są mało przenikliwe.

Promieniowanie β⁺, czyli emisja pozytonów (e⁺) towarzyszy rozpadom jądrowym, w których przy niezmiennej liczbie masowej liczba ładunkowa jądra maleje o jeden. Częściej gdy są emitowane elektrony (e^-), mamy do czynienia z rozpadem β^-. Wówczas liczba masowa również nie zmienia się, ale liczba ładunkowa jądra końcowego rośnie o jedność.

Promieniowanie β rozkład energetyczny emitowanych cząstek (ich widmo energetyczne) jest ciągły. Oznacza, to że mamy do czynienia z cząsteczkami od energii zerowej aż po energię maksymalną, określoną różnicą mas jąder uczestniczących w rozpadzie. Cząstki beta na swojej drodze słabiej jonizują materię i przez to są bardziej przenikliwe.

Tylko promieniowanie gamma γ, jako kwanty promieniowania elektromagnetycznego, w pełni usprawiedliwia swą nazwę. Widmo promieniowania γ jest monochromatyczne, gdyż energia jego kwantów ściśle odpowiada różnicy stanów energetycznych jądra przed i po emisji. Wanty γ słabo reagują z materią, skutkiem czego są bardzo przenikliwe- gazu prawie w ogóle nie jonizują.

Charakter absorpcji promieniowania γ jest inny niż cząstek naładowanych, takich jak α, β. Cząsteczki α lub β tracą energię (w zderzeniach z atomami ośrodka i w wyniku oddziaływań elektromagnetycznych) ulegając spowolnieniu, aż w końcu się zatrzymają. Zasięg tego promieniowania jest określony przez typ cząsteczki i rodzaj absorbenta. Promieniowanie γ nie ulega „spowolnieniu”, lecz w czasie przechodzenia przez materię jego natężenia słabnie zgodnie z funkcją wykładniczą: I= I₀ e ^-kx, gdzie I jest natężeniem promieniowania po przejściu warstwy absorbującej o grubości x, a k jest współczynnikiem pochłaniania charakteryzujący absorbent. Wymiarem k jest odwrotność metra, [m^-1]. Natężenie wiązki γ zostaje zredukowane wskutek zjawiska fotoelektrycznego, rozpraszania komptonowskiego lub tworzenia par elektron- pozyton. Grubość absorbenta ze względów praktycznych często wyrażana jest w ilości masy absorbenta przypadającej na 1 m². Jednakże wtedy należy używać tzw. masowego współczynnika osłabiania μ. Wiąże się on ze współczynnikiem k następującą zależnością: μ= k/p, tu p to gęstość materiału absorbującego. Wymiarem μ jest [m² kg ^-1]. Wygoda ze stosowania tak określonego współczynnika wynika z faktu, ze jest on prawie stały dla większości materiałów absorbujących, przy danej energii promieniowania γ. Od grubości liniowej x do grubości masowej d przechodzimy stosując zależność d= xp. Prawo pochłaniania przyjmuje wówczas postać: I= I₀ e ^- ^μd.

Licznik Geigera-Müllera jest gazowym detektorem promieniowania β. Dzięki swej prostocie i niezawodności od dawna znajduje zastosowanie w radiometrii. Cylindryczna katoda i osiowo umocowana wewnątrz cylindryczna nić jako anoda są umieszczone w szczelnym naczyniu napełnionym argonem lub powietrzem pod ciśnieniem ok. 20 kPa, a wejście do naczynia zamyka cienkie okienko mikowe przepuszczające promieniowanie β. Działanie licznika: promieniowanie przechodząc przez okienko jonizuje gaz pomiędzy elektrodami. Uwalniania w wyniku jonizacji elektrony są przyśpieszane przez pole elektryczne. Przy dostatecznie silnym natężeniu pola elektrony osiągają tak dużą energię, że wywołują kolejną jonizację. Proces rozwija się lawinowo. Podtrzymuje go promieniowanie ultrafioletowe wzbudzonych cząsteczek gazu i jony dodatnie, które mogą wybijać z katody kolejne elektrony. W celu powstrzymania wyładowywania ciągłego dodaje się do gazu roboczego niewielkie ilości gazu o cząsteczkach wieloatomowych (metan, pary alkoholu), które pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe i blokują wybijanie elektronów z katody. Po wygaśnięciu lawiny licznik ponownie jest gotowy do rejestracji następnej cząsteczki.

Impulsowi prądu wyładowania w liczniku odpowiada zmiana napięcia na oporze R włączonym w obwód licznika. Ten impuls napięcia poprzez kondensator C jest przesyłany do przelicznika. Amplituda impulsów nie zależy od energii traconej przez cząsteczkę w liczniku, czyli nie zależy od pierwotnej liczby par jonów wytworzonych przez zarejestrowaną cząstkę. Licznik G-M służy, więc, do rejestracji liczby cząstek bez rozróżnienia ich energii. Prawdopodobieństwo detekcji cząstek β sięga 100%. Licznik G-M liczy również z prawdopodobieństwem ok. 2% promieniowanie γ, gdyż promieniowanie to jest w stanie wybijać elektrony ze ścianek licznika, a te z kolei wywołują lawinę elektronów wtórnych w liczniku.

Zakres napięć od U₁ do U₂ nosi nazwę plateau. Dalsze zwiększanie napięcia prowadzi do swoistych wyładowań w liczniku i przez to do jego zniszczenia. Napięcie pracy Up licznika należy wybierać w połowie plateau. Licznik G-M posiada bieg własny, który jest liczbą zarejestrowanych impulsów przez układ elektroniczny przy braku źródła radioaktywnego. Bieg własny wywołany jest przez promieniowanie kosmiczne, spontanicznie akty jonizacji oraz szumy aparatury elektronicznej.

Cel.

Celem ćwiczenia jest wyznaczanie współczynnika pochłaniania promieniowania.

Wykonanie ćwiczenia i obliczenia.

Wyznaczanie charakterystyki licznika G-M.

Na jednej z półek w domku umieszczamy preparat. Pomiaru dokonujemy za pomocą dyskryminatora i potencjonometru.

0x01 graphic

Z wykresu odczytujemy napięcie pracy Up równe 650 V

Wyznaczanie biegu własnego licznika.

Wyjmujemy preparat z domku. Ustawiamy, obrane na podstawie wykresu, napięcie pracy. Kasujemy numeratory przelicznika. Mierzymy zliczenia przez kilkanaście minut i obliczamy liczbę zliczeń biegu własnego w przeliczeniu na 100s.

Liczbę zliczeń S na 100s obliczamy z zależności 122 : 5 = 24

Wyznaczanie współczynnika pochłaniania promieniowania.

Umieszczamy preparat w domku i mierzymy 3 razy zliczenia przez 100s. Pomiędzy licznik a preparat wkładamy płytę absorbenta i ponownie mierzymy 3 razy zliczenia przez 100s. Zwiększamy liczbę płytek i ponawiamy pomiar. Mierzymy grubość kilku płytek i obliczmy grubość jednej.

Grubość płytki aluminiowej wynosi 0,35 mm.

Wyznaczamy średnią i skorygowaną liczbę zliczeń w 100s dla:

Średnia: Skorygowana: