12.11.2005

WYZNACZANIE ENERGII PROMIENIOWANIA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU SCYNTYLACYJNEGO

Wykonali:

Paweł Kulig

Artur Odziemczyk

Paweł Raczyński

Gr. 6

Nr zespołu: 7

Celem doświadczenia jest zapoznanie się z:

• z pojęciem promieniowania na przykładzie próbek Cs137, Co60, Na22

• zasadą działania spektrometru scyntylacyjnego

• typowym kształtem widma impulsów otrzymywanych w wyniku rejestracji monotonicznego bombardowania płytki scyntylatora promieniowaniem γ

• wyznaczenie krzywej cechowania spektrometru za pomocą źródeł 60Co i 137Cs

• wyznaczenie energii promieniowania γ dla 22Na.

Podstawy fizyczne:

Promieniowanie γ jest promieniowaniem elektromagnetycznym towarzyszącym zjawiskom jądrowym. Jądro ulegając przemianie α lub β, może znaleźć się w stanie wzbudzonym. Gdy powraca do stanu podstawowego, emituje kwant o energii równej różnicy między energią stanu wzbudzonego i podstawowego. Promieniowaniu γ zawsze towarzyszy promieniowanie α lub β.

Do doświadczenia wykorzystuje się mechanizm polegający na oddziaływaniu kwantów γ z atomami wchodzącymi w skład scyntylatora. Rejestracja promieniowania γ odbywa się za pośrednictwem efektów wtórnych, to znaczy, że są liczone uderzenia tych kwantów o płytkę urządzenia.

Kwanty gamma nie wzbudzają kryształu bezpośrednio, lecz proces jest realizowany poprzez przekazanie przez kwanty energii elektronom powstałym w wyniku zjawiska fotoelektrycznego, zjawiska Comptona i zjawiska tworzenia par, a te z kolei powodują wzbudzenie kryształu. W każdym z tych trzech procesów kwant gamma przekazuje elektronom inną część swojej energii pierwotnej. W zjawisku fotoelektrycznym kwant gamma oddaje całkowicie swoją energię elektronowi. W wyniku rozpraszania comptonowskiego tylko część energii kwantu gamma zostanie przekazana elektronowi.

Zjawisko Comptona polega na zderzeniu fotonu z elektronem wewnątrz materii. W wyniku takiego zderzenia foton przekazuje część swej energii elektronowi oraz zmienia kierunek ruchu.

Zjawisko fotoelektryczne zachodzi podczas oddziaływania z całym atomem. W wyniku takiego oddziaływania kwant γ zostaje pochłonięty przez atom, a jego energia zużywana jest na wybicie z atomu jednego z elektronów i nadaniu mu energii kinetycznej, tak jak przedstawia równanie:

gdzie: hν -energia kwantu gamma,

W -energia wiązania elektronu,

Ek -energia kinetyczna wybitego elektronu.

Tworzenie się par elektron-pozyton polega na całkowitej zamianie energii kwantu γ na energie spoczynkowe i kinetyczne dwóch cząstek: elektronu i pozytonu (antyelektron posiadający tę samą masę i ta samą wartość ładunku, co elektron, ale o przeciwny znaku).. Taka para może powstać jedynie w obecności trzeciej cząstki (jądra lub elektronu), ponieważ musi być zachowany pęd i energia, więc dodatkowa cząstka pochłania energię i uzyskuje pęd odrzutu.

Zapisuje się energetyczny bilans tego zjawiska, również oblicza się minimalną energię, która będzie umożliwiać powstanie tego zjawiska Zjawisku temu podlegają kwanty γ o największych energiach, energiach cząstki o najmniejszej masie.

Analiza i przedstawienie wyników:

Kalibracja energetyczna - wyznaczenie współczynników równania kalibracyjnego:

E=a∙kan+b

Gdzie:

E - energia kwantu stracona w scyntylatorze

kan - numer kanału

Współczynniki a i b oraz ich błędy wyznacza się metodą najmniejszych kwadratów wykorzystując uzyskane w pomiarach numery kanałów oraz odpowiadające im energie kwantów γ emitowanych przez Co 60 i Cs 137.

	Cs - 137	Co - 60		Na - 22
Energia [MeV]	0,66	1,17	1,33
N - liczba zliczeń	2205	1854	1361	347
K - numer kanału	1324	2189	2477	2377

	Wartość obliczona	Średnie odchylenie standardowe	Wartość maksymalna	Wartość minimalna
a	0,000583	0,000007	0,000590	0,000576
b	-0,11084	0,013976	-0,096861	-0,124813

Korzystając z prostej kalibracyjnej określamy energię promieniowania γ pochodzącego z Na 22:

E_Na=1,275089 MeV

E_max=1,305225 MeV

E_min=1,244954 MeV

ΔE=0,060271 MeV

Wartość teoretyczna energii dla Na 22: 1,2745 MeV

Przedział wartości, w których mieści się szukana energia: (1,244954MeV 1,305225MeV). Tak więc wynik mieści się w dopuszczalnym przedziale.

Sprawdzenie, czy dokładność wyznaczenia energii promieniowania γ zależy od wartości tej energii:

K	Emax	Emin	E	ΔE	ΔE/E
1324	0,684107	0,638153	0,66113	0,045954	0,069508
2189	1,194332	1,136617	1,165475	0,057714	0,04952
2477	1,364210	1,302580	1,333395	0,061630	0,04622
2377	1,305225	1,244954	1,275089	0,060271	0,047268

Dokładność wyznaczenia energii zależy liniowo od wartości tej enegii.

Wyznaczenie energii kwantów γ dla Cs 137 z krawędzi komptonowskiej.

W tym celu numerowi kanału odpowiadającemu 60% wysokości krawędzi komptonowskiej przyporządkowane jest z równania kalibracyjnego maksymalna energia elektronu odrzutu:

K=950

N=546

E_{k max}=0,443067

Me=0,0511 MeV

Eγ ze wzoru:

Eγ=0,467293

4

---