POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI
	Sprawozdanie z ćwiczenia nr 60 Temat: Detekcja promieniowania jądrowego za pomocą licznika Geigera-Mullera.
Wydział Elektroniki Rok I	Data:	Ocena:

1.CELE ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest:

-zapoznanie się z zasadami detekcji promieniowania jądrowego,

-wyznaczenie parametrów licznika G-M,

-zapoznanie ze statystycznym charakterem procesów rozpadów jądrowych.

2.Wstęp teoretyczny

Promieniotwórczością nazywamy zjawisko spontanicznej emisji promieniowania jądrowego z jąder atomowych. Wynikiem rozpadu promieniotwórczego są zmiany natury chemicznej, zachodzące w pierwiastkach promieniotwórczych. Po emisji α , β^- , β⁺ lub po wychwycie E, jądra macierzyste przekształcają się w jądra nowych pierwiastków.

Obecnie znamy kilka rodzajów promieniowania jądrowego:

1. Cząstki są to dwukrotnie zjonizowane atomy helu, czyli jądra helu. Ładunek tej cząstki

wynosi +2e, a liczba masowa A=4. Energia początkowa cząstki α (energia w chwili emisji) zmienia się w granicach od 4 do 9 meV, w zależności od jądra - emitera. Prędkość ich wynosi około 10⁷ m/s. Odległość jaką przebywa cząstka do całkowitego wytracenia energii wynosi 6-7 cm w powietrzu w warunkach normalnych. Cząstka α ulega niewielkim odchyleniom w obecności pól elektrycznych i magnetycznych. Pochłaniane są całkowicie przez arkusz papieru i bardzo cienkie folie metalowe. Cząstki te posiadają silne właściwości jonizacyjne.

2. Cząstki β^- to strumień elektronów wyrzucanych z jąder atomów z prędkościami od 100 tys. do 300 tys. km/s. Maksymalna energia cząstek zawiera się w granicach od 0,01 do 10 MeV. Masę tej cząstki pomijamy, gdyż jest 2000 razy mniejsza od masy protonu i neutronu.

3. Cząstki β⁺ to strumień dodatnich elektronów (pozytonów) o ładunku równym +e i masie równej masie elektronu. Ich maksymalne energie osiągają wartości 0,05-4 MeV.

4. Cząstki γ to kwanty energii (fotony) wyrzucone z jądra z prędkością rozchodzenia się światła. Długość fal zawarta jest w granicach 5•10^-13-4•10^-11 m. Ich natura jest taka sama jak promieniowania rentgenowskiego. Energia promieni γ leży w granicach 0,05-5 MeV. Promieniowanie γ towarzyszy najczęściej rozpadowi β, rzadziej α.

5. Wychwyt E. Proces polegający na wychwyceniu przez jądro elektronu z orbity K, a rzadziej z orbity L.

W wyniku emisji promieniowania jądrowego zmniejsza się liczba jąder pierwiastka ulegającego rozpadowi. Liczba jąder, które uległy rozpadowi dN(t) w czasie t i t+dt jest wprost proporcjonalna do liczby jąder, które przetrwały N(t) i odstępu czasu dt.

dN(t) = -λN(t)dt , gdzie λ jest współczynnikiem proporcjonalności.

Promieniowanie jądrowe jest wykrywane przez różne detektory, które pozwalają na śledzenie i utrwalenie toru cząstki bądź rejestrują jedynie fakt przejścia cząstki przez detektor. Największe zastosowanie znalazły detektory oparte na wykorzystaniu jonizacji i wzbudzeniu atomów ośrodka, przez który to promieniowanie przechodzi. Zasadniczymi częściami licznika jonizacyjnego są dwie izolowane od siebie elektrody - katoda i anoda. Katodę stanowi najczęściej metalowy cylinder, a anodę cienki drut metalowy, rozciągnięty wzdłuż jego osi. Wnętrze licznika jest wypełnione czystym gazem szlachetnym (np. argonem), czasem z domieszką par alkoholu lub chloru. Do elektrod licznika przykłada się wysokie napięcie stałe do 2000V. Dzięki takiej geometrii elektrod w liczniku cylindrycznym uzyskuje się szczególnie korzystny rozkład pola elektrycznego między anodą a katodą. Natężenie pola jest bardzo silne w pobliżu anody i szybko maleje podczas zbliżania się do katody. Gdy na licznik nie pada promieniowanie jonizujące, rezystancja licznika jest bardzo duża - obszar między anodą a katodą stanowi przerwę w obwodzie. Przejście cząstki jonizującej przez objętość licznika rozpoczyna proces jonizacji gazu zawartego w nim i następuje rozwój wyładowania w gazie. Elektrony i jony (dodatnie) poruszają się w kierunku odpowiednich elektrod, zamykając obwód elektryczny między katodą a anodą. Pojawia się impuls prądowy o natężeniu I, który na rezystorze R, włączonym szeregowo z licznikiem, wytwarza impuls napięciowy

U = I R.

Impuls ten może być rejestrowany w odpowiednim urządzeniu przeliczającym.

3. SPRAWDZENIE CHARAKTERYSTYKI LICZNIKA G-M.

Charakterystyką licznika G-M nazywamy zależność liczby impulsów N, zarejestrowanych przez licznik w jednostce czasu, od napięcia zasilającego U. „Plateau” licznika nazywamy prawie poziomy odcinek charakterystyki. Napięcie pracy licznika dobiera się w jego środkowej części. Przeprowadzone przez nas pomiary dotyczą biegu własnego licznika (tła powodowanego promieniowaniem kosmicznym, zanieczyszczeniami promieniotwórczymi materiału licznika i otoczenia oraz promieniowaniem Ziemi), bez obecności preparatu promieniotwórczego.

Wyniki pomiarów zliczeń impulsów po zadanym czasie (t=100 s.) w zależności od napięcia:

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Uzas	460	450	440	430	420	410	400	390	380	370	360	350	340	330	320	310
Ni	116	137	127	138	109	148	122	132	113	125	100	98	130	0	0	0
d	-	-21	-10	+11	-29	+39	-26	+10	-19	+12	-25	-2	+32	-	-	-

Jak wynika z pomiarów napięcie progowe wynosi około 340 V.

Wykres charakterystyki licznika G-M dla biegu własnego został przedstawiony na do --> [Author:ZF] łączonym wykresie.

Ponieważ przeprowadzenie jednokrotnego pomiaru jest obarczone dużym błędem ,aby go obliczyć sprawdzamy statystyczny charakter wyładowań w liczniku. W tym celu wykonujemy serię 60 pomiarów liczby zliczeń w czasie 40 s. każdy, przy ustalonej wartości napięcia dobranej ze środkowego obszaru pracy licznika:

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	62	51	53	53	67	53	45	51	43	57
1	43	47	48	46	44	51	47	50	46	55
2	58	53	52	59	46	56	41	53	50	63
3	40	52	50	47	43	38	49	50	42	51
4	47	47	46	48	44	49	57	48	55	36
5	54	58	43	52	59	44	53	60	46	50

Wyznaczamy średni błąd kwadratowy pojedynczego pomiaru:

, gdzie N_i jest liczb --> [Author:ZF] ą zliczeń zarejestrowaną w czasie 40s.

n - liczba pomiarów (60)

Otrzymaliśmy następujący wynik:

Odchylenie standardowe średniej obliczamy z następującego wzoru:

Aby przekonać się o statystycznym charakterze rozrzutu pomiarów sporządzamy tabelę ilości zliczeń w poszczególnych przedziałach dla U=420V:

zliczenia	36-39	40-43	44-47	48-51	52-55	56-59	60-63	64-67
ilość	2	7	14	14	12	7	3	1

4. DYSKUSJA BŁĘDÓW I WNIOSKI.

Określona przez nas charakterystyka na biegu własnym różni się zasadniczo od właściwej. Przyczyną tego może być zewnętrzne oddziaływanie środowiska na nasz licznik, który na biegu własnym określa promieniowanie kosmiczne i otaczających materii. Wyraźnie można zauważyć zmienność tego promieniowania, liczby zliczeń licznika. Przy określaniu charakterystyki G-M w obecności preparatu promieniotwórczego licznik najprawdopodobniej miałby bardziej prawidłową charakterystykę. Ogólnie można powiedzieć że gdyby ćwiczenie było wykonane w oddzielnym pomieszczeniu to wyznaczylibyśmy charakterystykę bardziej poprawną, a co za tym idzie pomiary statystyczne byłyby bardziej wiarygodne. Tabela określająca statystyczny rozkład pomiarów uwidacznia prawidłowy charakter rozrzutu. Zwiększenie liczby prób na pewno bardziej zbliżyłoby go do rozkładu normalnego. Tutaj trzeba także powiedzieć, że określaliśmy promieniowanie kosmiczne, ziemi, materii. Ma ono więc duże rozbieżności. .Jedną z metod poprawnego określenia rozkładu jest zwiększenie liczb prób, oraz praca w bardziej odizolowanych warunkach.

---