POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
KATEDRA FIZYKI
LABORATORIUM FIZYKI WSPÓŁCZESNEJ
Temat : Badanie charakterystyki licznika scyntylacyjnego dla promieni .
Wyznaczanie zasięgu cząstek w powietrzu.
1.Część teoretyczna
Promienie są strumieniem podwójnie zjonizowanych atomów helu (He++) niosących po dwa elementarne ładunki dodatnie (2e+). W związku z doświadczeniami nad rozpraszaniem cząstek na cienkich foliach złota i innych metali, Rutherford zaproponował nowy model budowy atomu. Badając rozproszenie cząstek Geiger i Marsden stwierdzili, że większość tych cząstek przechodzi przez folię bez odchylenia, a tylko niektóre z nich zostają odchylone pod dużymi kątami, a nawet odrzucone wstecz. Fakt, że większość cząstek przechodzi przez folię złota bez odchylania świadczy o tym, że dla większości cząstek folia stanowi pustą przestrzeń. Z drugiej strony było wiadomo, że cząstki muszą napotkać na swej drodze silne pole kulombowskie występujące wewnątrz atomu i że rozproszenie cząstki pod dużym kątem zachodzi wskutek działania jednego atomu folii Jeżeli cząstka porusza się dokładnie w kierunku jądra, to siła hamująca będzie narastać w miarę zbliżania się cząstki do jądra aż do momentu jej zatrzymania, po czym rozpocznie się odpychanie, czyli ruch przyspieszony cząstki w kierunku przeciwnym, wzdłuż tej samej prostej, po której cząstka zbliżała się do jądra, przy czym cały czas ruch cząstki odbywa się po linii prostej. W przypadku rozproszenia wstecznego następuje zmiana kierunku toru o . Jest to przypadek bardzo rzadki, gdyż wówczas cząstka musiałaby się poruszać wzdłuż prostej przechodzącej przez jądro, którego rozmiary są bardzo małe.
Charakterystyczną cechą cząstek jest ich zdolność jonizacji atomów każdego środowiska, przez które cząstki te przechodzą.
Zasięg cząstek danego pierwiastka promieniotwórczego w danym środowisku jest stały. Zasięg cząstki otrzymuje się przez ekstrapolację prostego odcinka końcowej części krzywej Bragga do jonizacji zerowej.
Prostego wzoru łączącego zasięg cząstek z ich energią (prędkością) brak. Istnieje natomiast podane przez Geigera proste prawo empiryczne łączące średni zasięg cząstek z ich prędkością v, mianowicie
R=av3
Między stałą rozpadu a zasięgiem R cząstek istnieje następujący związek empiryczny, znany jako prawo Geigera-Nuttalla.
logR=Alog+B
A-wspólna stała dla wszystkich rodzin promieniotwórczych
B-stała mająca inną wartość dla każdej rodziny promieniotwórczej
Rejestracja cząstek jądrowych przez obserwację scyntylacji, czyli błysku świetlnego wywołanego przez te cząstki w pewnych materiałach, stosowana już była w początkach badania promieniowania jądrowego.
Początkowo scyntylacje takie obserwowano wizualnie. Obecnie rejestruje się je za pomocą bardzo czułych komórek fotoelektrycznych, tak zwanych powielaczy elektronowych.
Działanie licznika scyntylacyjnego można opisać następująco:
promieniowanie jądrowe padające na scyntylator wywołuje w nim błysk świetlny przez oddziaływanie z jego atomami.
Błysk ten wyzwala z katody fotopowielacza elektrony. Powstający impuls prądu fotoelektrycznego zostaje wzmocniony przez zjawisko emisji wtórnej w fotopowielaczu i przekazany przez wtórnik katodowy na wzmacniacz zewnętrzny. Wzmocniony do wysokości kilkudziesięciu wolt impuls rejestrowany jest w przeliczniku lub wielokanałowym analizatorze amplitudy. Fotopowielacz zasilany jest z zasilacza wysokiego napięcia o dużej stabilności.
Liczniki scyntylacyjne odznaczają się wieloma cennymi zaletami, do których w pierwszym rzędzie należy prostota ich konstrukcji, proporcjonalność wysokości impulsu do energii, dzięki czemu mogą być użyte dla celów spektroskopii, krótki czas narastania impulsów.
Powstawanie błysku świetlnego w scyntylatorze nazywamy luminescencją. Rozróżniamy przy tym dwa typy luminescencji:
a)Fluorescencja, gdy czas wyświecania jest bardzo krótki.
b)Fosforescencja, gdy stan wzbudzony powstający przez oddziaływanie z promieniowaniem jest stanem meta trwałym, w związku z czym wyświecenie następuje z pewnym opóźnieniem Ten typ luminescencji nie nadaje się dla konstrukcji liczników scyntylacyjnych.
Drugim elementem licznika scyntylacyjnego jest fotopowielacz elektronowy. Błysk scyntylacyjny w scyntylatorze powoduje wybicie fotoelektronów z katody fotopowielacza. Katody te wykonane są z materiałów o dużej wydajności fotoelektrycznej. Powstający impuls elektryczny jest bardzo mały i musi być silnie wzmocniony.
W fotopowielaczu wzmocnienie to następuje już w samej lampie, dzięki wykorzystaniu zjawiska wtórnej emisji elektronów. Jeżeli mianowicie elektron pada z pewną energią na płytkę pokrytą substancją łatwo emitującą elektrony może wybijać z niej kilka elektronów wtórnych. Umieszczając w fotopowielaczu kilka takich elektrod emisji wtórnej, tzw. dynod, możemy otrzymać bardzo duże wzmocnienia. Elektrony emitowane z dynody muszą być skupione na dynodzie następnej, co uzyskujemy przez ogniskowanie elektrostatyczne w odpowiednio uformowanym polu między dynodami, którym nadajemy w tym celu różne kształty.