Piotr Rutka

Gr. M35

Zespół 9

LABORATORIUM FIZYKI II

Ćwiczenie nr: 11

Badanie właściwości promieniowania gamma przy pomocy spektrometru scyntylacyjnego.

1. Do przeprowadzenia pomiarów wykorzystaliśmy stanowisko pomiarowe składające się z następujących elementów:

Licznik scyntylacyjny → Wzmacniacz → Wielokanałowy Analizator Amplitudy → Komputer → Drukarka

Licznik scyntylacyjny to jeden z najważniejszych elementów spektrometru składający się z kryształu scyntylacyjnego oraz ze sprzęgniętego z nim optycznie fotopowielacza, którego zasadniczymi elementami są: fotokatoda, układ dynod i anoda.

Licznik pracuje w następujących etapach:

• absorbuje energię padającą na scyntylator promieniowania,

• zamienia część tej energii na energię emitowaną w postaci fotonów,

• absorbuje fotony na fotokatodzie i emituje fotoelektrony.

Promieniowanie gamma może wywołać luminescencję tylko wtedy, gdy wskutek oddziaływania z atomami scyntylatora przekaże swą energię elektronów w zjawisku fotoelektrycznym, Comptona lub tworzenia się par elektron - pozyton. Te zjawiska pozwalają na wybicie elektronu z linii, w wyniku czego powstanie dziura. Tą dziurę wypełni elektron z wyższego poziomu i powstanie linia emisyjna.

Scyntylatorem najczęściej jest kryształ jodku sodu domieszkowany Talem. Domieszki Talu powodują powstanie w paśmie wzbronionym kryształu dodatkowego poziomu, na który mogą przejść wzbudzone elektrony, co z kolei pozwoli na emisję fotonów.

Impulsy z licznika, po wcześniejszym wzmocnieniu docierają do wielokanałowego analizatora amplitudy. Analizator umożliwia segregację impulsów w zależności od amplitudy i zliczanie w odpowiednio przyporządkowanych im kanałach. Konkretnemu przedziałowi amplitud wejściowych przyporządkowuje się stałą liczbę znormalizowanych impulsów i numer kanału, co odwzorowywane jest następnie na ekranie w postaci widma energetycznego, tj. liczby impulsów od ich energii - im większa energia tym wyższy kanał. Obraz widma dla mojej próbki dołączony został do sprawozdania.

2. Reakcje dla poszczególnych pierwiastków:

1. sód:

²²₁₁Na → ²²₁₀Ne* + ⁰₊₁B

²²₁₀Ne* → ²²₁₀Ne + γ(1,28)

2. cez:

¹³⁷₅₅Cs → ¹³⁷₅₆Ba + ⁰_-1B

¹³⁷₅₆Ba* → ¹³⁷₅₆Ba + γ

3. kobalt:

⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₈Ni* + ⁰_-1B

⁶⁰₂₈Ni* → ⁶⁰₂₈Ni* + γ₁

⁶⁰₂₈Ni* → ⁶⁰₂₈Ni + γ₂

3.Wyznaczenie prostej skalowania:

Skalowanie przeprowadzaliśmy dla Co.

Wyskalowanie spektrometr polegało na przypisaniu poszczególnym kanałom określonych energii:

Punkt:	7	3	1
Nr kanału:	662	3047	3480
Energia przypisana [MeV]	0,21	1,17	1,33

Na podstawie powyższych danych wyznaczamy prostą skalowania przy pomocy programu

N-kwadrat.

E = a⋅N + b

gdzie: N - numer kanału; E - energia.

a = 3,922E-04 ± 4,272E-06;

b = -5,317E-02 ± 1,153E-02;

Wartość doświadczalna energii wyznaczam ze wzoru:

E = 0,0003922 ⋅ N - 0,05317

Błąd wyznaczenia energii obliczam ze wzoru:

ΔE = E₂-E₃

Zdolność rozdzielcza spektrometru:

R = ΔE/E ⋅100%

R=0,07/0,64*100%=10,9%

4.Wyniki doświadczenia

Wartości dla Co

Punkt:	8	7	6	5	4	3	2	1
Nr kanału:	211	662	2431	2534	2666	3047	3263	3480
Wart. energii [MeV]	0,03105	0,21106	0,9171706	0,9582834	1,010971	1,163049	1,249266	1,335882

Pomiar nachylenia wykresu w punktach 4,5,6.

tgα=Δlin/Δkan

tgα=41/235

α=10°

Wartości dla Cs

Punkt:	8	7	6	5	4	3	2	1
Nr kanału:	220	566	1175	1272	1360	1657	1822	1748
Wart. energii [MeV]	0,03464	0,1727492	0,4158337	0,4545516	0,4896771	0,6082258	0,6740861	0,6445487

Pomiar nachylenia wykresu w punktach 4,5,6.

tgα=Δlin/Δkan

tgα=674/185

α=74,6°

Wartości dla Na

Punkt:	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
Nr kanału:	223	480	655	775	912	1030	1360	2587	2722	2848	3298
Wart. energii [MeV]	0,03584	0,138422	0,2082739	0,2561723	0,3108564	0,3579565	0,4896771	0,9794386	1,033324	1,083617	1,263236

Pomiar nachylenia wykresu w punktach 2,3,4.

tgα=Δlin/Δkan

tgα=16/261

α=3,51°

Pomiar nachylenia wykresu w punktach 6,7,8.

tgα=Δlin/Δkan

tgα=113/255

α=23,9°

Pomiar nachylenia wykresu w punktach 8,9,10.

tgα=Δlin/Δkan

tgα=104/295

α=19,4°

Opis Widm.

Zjawiska które można zaobserwować na wykresach poszczególnych widm są następujące:

Promieniowanie X, które powstaje gdy zostaje zapełnione miejsce po wybitym elektronie przez któryś z elektronów z wyższych powłok. W przypadku próbki sodu i cezu obserwujemy emisję jednego kwantu, natomiast w przypadku kobaltu - dwóch.

Rozproszenia wsteczne pochodzące od kwantów rozproszonych komptonowsko na obudowie licznika lub w preparacie, które wpadły następnie do kryształu i wywołały w nim zjawisko fotoelektryczne. Położenie maksimum rozproszenia odpowiada różnicy energii fotopiku krawędzi komptonowskiej.

Krawędź Komptonowska anihilacji - wynik rozpraszania Comptona - elektrony przenoszą maksymalną energię.

Fotopik, są to piki obrazujące nam zajście zjawiska fotoelektrycznego.

Zjawisko anihilacji, jeśli w krysztale scyntylacyjnym powstanie para pozyton-elektron w wyniku oddziaływania kwantu γ z polem culombowskim jądra, to przekazują one energię kinetyczną licznikowi, a następnie pozyton będący w spoczynku ulega anihilacji z jednym z elektronów scyntylatora co powoduje powstanie dwóch kwantów o energii 0,511 MeV.

Ma to miejsce np. w przypadku próbki sodu.

5.Wnioski

Wyniki uzyskane w powyższym doświadczeniu są zbliżone do wyników teoretycznych w granicy błędu - czasem nawet się z nimi pokrywając. Dokonując opracowania wyników można zauważyć, że największy wpływ na błąd miało wyznaczenie prostej skalowania, co z kolei wiązało się z dokładnością odczytania numeru kanału i tym, ze na prosta „składały” się tylko trzy punkty. Na podstawie doświadczenia ze zmienianiem liczby kanału o niewielką wartość mogę stwierdzić, że to właśnie wprowadza duże wahania wartości energii. Możemy tu także zauważyć, ze zdolność rozdzielcza licznika wzrasta wraz ze wzrostem liczby kanału, czyli wykrywa on znacznie lepiej cząstki o wyższej energii niż o niższej. To może wskazywać, ze używany w ćwiczeniu spektrometr nie był najwyższej klasy, mimo iż jego zdolność rozdzielcza dla wysokich energii wyniosła nieco powyżej 10%.

Analiza poszczególnych widm pierwiastków promieniotwórczych

Kobalt ⁶⁰ ₂₇Co

Preparat kobaltowy emituje strumienie promieniowania gamma o energiach 1,33MeV oraz 1,17 MeV, które są wywoływane przez efekt fotoelektryczny. Pod wpływem wymienionego zjawiska fotoelektrycznego powstają dwa strumienie elektronów o energiach kinetycznych odpowiadających tym energiom oraz strumień promieniowania X.

Strumień promieniowania gamma o energii 1,17 MeV wywołuje efekt Comptona. W wyniku tego oddziaływania powstaje strumień elektronów o energiach od 0 do 0,96 MeV, a także strumień promieniowania gamma o energiach od 0,21 do 1,17 MeV. Pik 6 odpowiada krawędzi komptonowskiej. Jest maksymalna energia strumienie elektronów powstałych w zjawisku Comptona . Strumień promieniowania gamma o energii 0,21MeV wywołuje efekt fotoelektryczny, w wyniku którego powstaje strumień elektronów o energii 0,21 MeV. Wynikiem występowania zjawiska fotoelektrycznego, jest występowanie strumienia promieniowania X. W wyniku tego powstaje strumień elektronów o energii około 0,053 MeV.

Cez ¹³⁷ ₅₅CS

Preparat cezowy emituje promieniowanie gamma o energii 0,66 MeV. Pik 8 powstał w wyniku zjawiska fotoelektrycznego, wywołanego oddziaływaniem kwantów gamma o energii 0,66 MeV. W wyniku tego powstaje strumień elektronów o energii kinetycznej 0,65 MeV.

Pik 7 powstał w wyniku występowania zjawiska rozpraszania Komptonowskiego. W wyniku oddziaływania kwantów gamma o energii 0,66MeV powstał strumień elektronów o energii od o do 0,48 MeV oraz strumień promieniowania gamma o energiach od 0,18 do 0,66 MeV.

W wyniku oddziaływania promieniowania gamma o energii 0,18 powstał pik w wyniku zjawiska fotoelektrycznego. W wyniku tych samych zjawisk powstaje strumień kwantów gamma, który z kolei wywołuje kolejne efekty fotoelektryczne. W wyniku powstania dalszych zjawisk fotoelektrycznych powstają strumienie elektronów o energii 0,052 MeV .

Sód ²² ₁₁Na

Preparat emituje promieniowanie gamma o energii 1,27 MeV. Pik 11 powstał w wyniku zjawiska fotoelektrycznego, który został wywołany strumieniem promieniowania gamma o energii 1,27MeV. W wyniku tego powstał strumień elektronów o energii 1,28 MeV oraz promieniowanie X.

Ten sam strumień kwantów gamma wywołuje zjawisko fotoelektryczne. W wyniku tego powstaje strumień elektronów o energiach od 0 do 1,05 MeV oraz strumień kwantów gamma o energiach od 0,22 do 1,27 MeV. Pik 5 powstał w wyniku zajścia zjawiska fotoelektrycznego, które zostało wywołane strumieniem kwantów gamma o energii 0,45 MeV. Kwanty te powstały w wyniku zajścia zjawiska tworzenia par elektron-pozyton. W wyniku występowania wymienionego zjawiska fotoelektrycznego powstaje strumień elektronów o energiach ok. 0,45 MeV oraz strumień promieniowania X. Kwanty gamma o energii 0,45 MeV powoduje powstanie zjawiska Comptona. Co powoduje powstanie strumieni elektronów o energii od 0 do 0.33 MeV oraz strumieni kwantów gamma o energii od 0,17 do 0,5 MeV. Pik 4 reprezentuje krawędź komptonowską. W wyniku oddziaływania kwantów gamma o energii 0.17 MeV z kierunkiem powstał kolejny pik 9. Powstało także przy rozproszeniu wstecznym zbocze, składające się z dwóch nachyleń o kącie równym α=23,9° i α=19,4°.

---