8.01.08

Bartosz Chlebicki

Zespół 5

Grupa I-31

Wydział Inżynierii Produkcji

Prowadzący: dr Piotr Kurek

Ćw. 11. Badanie widma energii promieniowania gamma przy pomocy spektrometru scyntylacyjnego.

1. Wstęp

Celem ćwiczenia było wykonanie pomiarów widma impulsów z licznika scyntylacyjnego dla źródła o znanych energiach kwantów gamma, wykonanie widm oraz obliczenie położenia krawędzi comptonowskiej i położenie pików pojedynczej i podwójnej ucieczki oraz określenie zdolności rozdzielczej spektrometru.

Ćwiczenie zaczęliśmy od zapoznania się z zestawem przyrządów, spektrometrem scyntylacyjnym (jego zasadą działania) oraz z poszczególnymi próbkami emitującymi promieniowanie gamma.

Promieniowanie gamma - krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez wzbudzone jądra atomowe. Jądro atomowe może emitować jeden lub kilka kwantów gamma o różnych energiach, w zależności od tego czy w wyniku emisji następuje przejście bezpośrednio do stanu podstawowego czy też poprzez stany pośrednie.

Spektrometr scyntylacyjny - mierzy energię kwantów gamma emitowanych przez wzbudzone jądra atomowe. Jego zasadniczą częścią jest licznik scyntylacyjny. Licznik ten składa się z kryształu scyntylacyjnego oraz ze sprzęgniętego z nim optycznie fotopowielacza, którego zasadniczymi składowymi są: fotokatoda, układ elektrod zwanych dynodami i anoda. Całość zamknięta jest w próżnioszczelnej i światłoszczelnej obudowie.

2. Układ pomiarowy i przebieg wykonania ćwiczenia.

Wykonanie ćwiczenia rozpoczęliśmy od włączenia układu pomiarowego tzn. uruchomienia zasilacza wysokiego napięcia, licznika scyntylacyjnego, wzmacniacza liniowego, oraz komputera z samo startującym programem TUKAN 2.00. Następnie za pomocą ww. programu otrzymaliśmy widma i na ich podstawie wykonaliśmy pomiary interesujących nas wielkości dla trzech próbek promieniotwórczych odpowiednio cezowej - Cs137, sodowej - Na22, kobaltowej - Co60.

Sód

Sód ma dwie możliwości rozpadu -β na neon. Pierwsza z możliwości bardziej prawdopodobna 89,7% powoduje rozpad do stanu energetycznego 1,25 MeV. Kolejno poprzez rozkład γ do stanu 0. Prawdopodobieństwo drugiego rozkładu jest małe 0,06% i przebiega następująco. Poprzez rozkład -β do stanu zero.

Spektrogram promieniowania pierwiastka sodu uzyskany w trakcie ćwiczenia. (na osobnej stronie)

Zachodzi przemiana β⁺ w wyniku której powstały wzbudzone jądra Na^* i zgodnie z reakcją

dalej Ne przechodził do stanu podstawowego w wyniku przemiany γ

Eγ=1,27MeV

Dla pierwiastka o symbolu chemicznym Na promieniowanie γ pochodzi z jąder Ne. Uzyskany spektrogram jest najciekawszy i najbardziej rozbudowany.

Na spektrogramie obserwujemy wyraźny fotopik dla E_γ = 1,24 MeV , obszar zjawiska Comptona E_e∈(0,22-0,127)MeV i efekt rozpraszania na elektronie kwantu γ ( w wyniku zjawiska Comptona ) tak, że odbity do wewnątrz atomu kwant γ powoduje efekt fotoelektryczny. Na spektrogramie obserwujemy jeszcze inne kanały dla których ilość zliczeń jest bardzo duża. Związane jest to z występowaniem w rzeczywistym układzie pomiarowym rozpadu β⁺.

Na → Ne^*+e⁺+ν_e

Gdzie ν_e - neutrino elektronowe

e⁺ - pozyton

Ne^*- neon

e⁺ jako że są obdarzone ładunkiem dodatnim są dodatkowo odpychane przez jądra atomowe.

Przemiana ta powoduje rozpad wewnętrzny jądra na neutron, pozytron i neutrino tzn. przemiana polega na przekształceniu pozytonu w neutron z jednostronnym wyrzuceniem z jądra i neutrina pozytronu.

γ→e^-+e⁺

Powstają kwanty γ o energii Eγ=1,24MeV (pik 1) wypromieniowywane podczas przemiany neonu Ne 22, który powstaje z kolei w wyniku przemiany β+ jakiej ulega izotop sodu Na 22. Krawędź Comptona zaznaczona na wykresie to zbocze odpowiadające elektronom, którym wspomniane kwanty γ przekazały energię podczas rozproszenia wstecznego.

To co charakterystyczne w tym widmie, to wysoki pik absorpcji anihilacyjnej. Moim zdaniem powstał on, ponieważ w pierwszym etapie przemiany sodu emitowane są cząstki β+, czyli pozytony. Cząstki te po wytraceniu energii kinetycznej anihilują z napotkanymi elektronami, w wyniku czego powstają dwa kwanty γ. Kwanty te również mogą wywoływać zjawisko fotoelektryczne, którego następstwem jest obserwowany pik. Jego energia odpowiada w przybliżeniu energii, jaką posiadają powstałe na skutek anihilacji kwanty γ tj. 0,51 MeV. Kwanty te mogą też wywoływać zjawisko Comptona. Stąd pojawia się strome zbocze, opisane na wykresie jako krawędź Comptona (anihilacyjna), analogiczne do krawędzi Comptona. Teoretyczna energia takiego zbocza dla kwantów γ o energii 0,51MeV to 0,34 MeV. Kolejny punkt, to pik rozproszenia wstecznego (anihilacyjny). Teoretyczna energia w tym miejscu widma powinna wynosić 0,17 MeV. Natomiast pik rozproszenia wstecznego odpowiada maksimum rozproszenia wstecznego, ale kwantów γ emitowanych podczas przemiany.

3. Opracowanie wyników.

Teoretyczne wartości energii przedstawione w tabelce na pierwszej stronie raportu zostały obliczone ze wzoru:

Wartości doświadczalne natomiast zostały obliczone przy pomocy prostej kalibracyjnej (załączona do sprawozdania), którą wyznaczyłem za pomocą czterech przykładowych punktów i dopasowania liniowego w Originie. Powstał w ten sposób wzór:

gdzie:

X - numer kanału

Y - Energia [MeV]

Rachunek błędów

	nr kanału	Energia	ΔY
pik absporpcji całkowitej	2814	1,291	0,24112
krawędź Comptona	2587	1,183	0,22296
pik rozp. wstecz.	280	0,086	0,0384
pik absorpcji całk. (anih.)	1159	0,504	0,10872
krawędź Comptona (anih.)	655	0,265	0,0684
pik rozp. wstecz. (anih.)	229	0,126	0,03432

4. Wnioski.

Obliczone wartości w większości zgadzają się w zakresie błędu z wartościami tablicowymi co może świadczyć o poprawności wykonania pomiarów i obliczeń. Nieliczne wartości, które nie zgadzają się z wartościami teoretycznymi mogą świadczyć o niedokładnym odczycie z wykresu, na którym nie zawsze można było wszystko dokładnie wyznaczyć.

Prosta skalowania wykazuje zależność liniową co świadczy o wysokiej klasie spektrometru scyntylacyjnego.

W ćwiczeniu tym mogliśmy zaobserwować zjawisko promieniowania gamma; zjawiska w jakich zachodzi, poznaliśmy również zasadę działania układu pomiarowego, z jakim mieliśmy do czynienia w laboratorium, a w szczególności ze spektometrem scyntylacyjnym.

strona 2 z 4

---