Politechnika Częstochowska

Katedra Fizyki

Ćwiczenie nr 7

Temat: Badanie charakterystyki licznika scyntylacyjnego dla promieni α..

Wyznaczanie zasięgu cząstek α.

w powietrzu.

Ćwiczenie wykonali:

Marcin Rokoszewski

Sergiusz Jowsa

Wprowadzenie teoretyczne.

1.Natura i własności promieni α.

Promienie α są strumieniem jąder helu , czyli atomów He⁺⁺ dwukrotnie zjonizowanych. Cząstki te mają prędkość rzędu 14000-20000 km/s i energię rzędu kilku MeV (4-10,5 MeV). Zasięg cząsteczek α przechodzących przez powietrze wiąże się ze zderzeniami z atomami gazów powietrza, jonizują je i tracą przy tym energię kinetyczną. Ruch cząstek po linii zbliżonej do prostej trwa dopóty, dopóki ich prędkość nie zrówna się z prędkością ruchu cieplnego cząsteczek powietrza. Dalej poruszają się zygzakowato zgodnie z zasadami ruchu mieszaniny gazów powietrza. Zasięgiem cząstek nazywamy odległość R, jaką cząstki mogą przebyć w danym ośrodku, np. w gazie. Na zasięg cząsteczki wpływa gęstość gazu (decydująca o liczbie zderzeń w jednostce czasu, czyli na jednostkę długości toru) i skład atomowy gazu (do jonizacji bowiem różnych atomów potrzeba jest różna energia). Zasięg cząsteczek α wynosi w powietrzu 2,5-8,6 cm i jest wielkością charakterystyczną dla naturalnych pierwiastków promieniotwórczych

Istnieje ścisły związek pomiędzy energią cząstki poruszającej się w ośrodku a jej maksymalnym zasięgiem. Toru elektronów podczas poruszania się w ośrodku są bardzo złożone. Ze względu na znikomą masę elektronu w porównaniu z masą atomu przy zderzeniu występuje znaczna zmiana kierunku prędkości elektronów, przy równoczesnej zmianie wartości prędkości. Rzeczywista droga elektronu w absorbencie jest średnio kilkakrotnie większa od grubości przebytej warstwy. Natężenie strumienia elektronów poruszających się w danym kierunku zmniejsza się nie tylko na skutek zahamowań ich i wychwyceniu przez atomy, ale także na skutek zmiany kierunku prędkości.

2. Oddziaływanie cząstek α z materią.

Cząstka naładowana przechodząc przez materię oddziałuje z atomami ośrodka. W przypadku, kiedy suma energii kinetycznej cząstki bombardującej i atomu przed i po zderzeniu jest stała, oddziaływanie takie nazywamy sprężystym, jeżeli ulega zmianie - niesprężystym.

Cząstka naładowana może oddziaływać bądź z elektronami atomu, bądź z jądrem. To ostatnie może prowadzić do reakcji jądrowej. Cząstka α, aby przeniknąć do jądra musi mieć energie pozwalającą jej pokonać odpychanie kulombowskie. Wysokość bariery potencjału cząstek α zawiera się w granicach od około 7 MeV dla lekkich jąder do 30 MeV dla jąder ciężkich. Aby cząstka naładowana mogła wniknąć do jądra, winna mieć energię kinetyczną T większą od bariery potencjału:

T>B_k

,istnieje odstępstwo od tej reguły zwane efektem tunelowym.

Zderzając się z elektronem z powłoki atomowej cząstka naładowana przekazuje mu część energii, na skutek tego elektron bądź zostaje oderwany i następuje jonizacja atomu, bądź przechodzi na wyższy poziom energetyczny - następuje wzbudzenie atomu.

3. Budowa i zasada działania licznika scyntylacyjnego.

Cząstki jonizujące, takie jak elektrony, protony, cząstki alfa itp. W niektórych substancjach wywołują krótkotrwałe błyski świetlne, zwane scyntylacjami. Substancja taka zwana jest scyntylatorem min. Monokryształy jodku sodu aktywowanego talem , monokryształu antracenu lub siarczek cynku aktywowany srebrem. Liczba fotonów wyemitowanych przy przejściu cząstki przez scyntylator określona jest przez energię stracona w scyntylatorze. Do rejestracji błysków ze scyntylatora służy fotopowielacz, czyli połączenie fotokomórki ze wzmacniaczem elektronowym. Fotokatoda w fotopowielaczu jest napylona w postaci półprzeźroczystej warstwy na wewnętrznej stronie okienka szklanej bańki próżniowej. Elektrony wybite z fotokatody przez padające na nią fotony są przyśpieszane i skierowane prze pole elektryczne na elektrodę zwaną pierwszą dynodą. Wskutek zjawiska wtórnej emisji, każdy elektron wybija z dynody po kilka elektronów (3-5), które są skierowane na następne dynody, co doprowadza do progresywnego narastania strumienia elektronów. W wyniku tego jeden elektron wybity z fotokatody powoduje dotarcie do ostatniej elektrody, zwanej anodą od 10⁵ do 10⁹ elektronów. Potencjały dynod są ustalane poprzez dołączanie ich do dzielnika napięcia. Jeżeli scyntylator jest przezroczysty i ma odpowiednio dobraną geometrię, a liczba fotonów jest jednoznacznie związana z energią cząstki, to licznik scyntylacyjny może być przyrządem nie tylko wykrywającym promieniowanie jądrowe ale także mierzącym energię cząstek tj. spektrometrem. Jeżeli zachodzi liniowy związek pomiędzy energią cząstki i amplitudą impulsu elektrycznego, to spektrometr nazywa się liniowym.

---