Laboratorium Fizyki II

Sprawozdanie

Temat: ,,Badanie widma promieniowania у przy pomocy spektrometru scyntylacyjnego”.

Michał Kucharczyk

MM-11, Zespół 9

Data wykonania ćwiczenia: 21.12.2009

Data oddania sprawozdania: 04.01.2010

1. Cel ćwiczenia.

Powyższe ćwiczenie polegało na zbadaniu promieniowania gamma spektrometrem scyntylacyjnym, trzech próbek: Cs-137, Na-22 oraz Co-60. Dzięki wielokanałowemu analizatorowi amplitud podłączonemu do komputera, za pomocą specjalnego programu na monitorze otrzymano obraz widma energetycznego.

W pierwszej części ćwiczenia należało wyznaczyć wartości teoretyczne zamieszonych w tabeli wielkości. Wartość teoretyczna energii została obliczona ze wzoru:

,

natomiast energię rozproszenia wstecznego obliczono korzystając ze wzoru:

W drugiej części korzystając z prostej kalibracyjnej dla detektora Nal(Tl) zadaniem było wyznaczenie wartości doświadczalnych wyznaczonych przez prowadzącego wartości.

2. Wstęp teoretyczny.

Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość, ze wszystkich rodzajów promieniowania, a co za tym idzie najmniejszą długość fali, do 10^-10 m. Jest to krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez wzbudzone jądro atomowe. Promieniowanie gamma emitowane jest przez pierwiastki radioaktywne, takie jak np. uran, rad, czy polon.

Podczas przechodzenia wzbudzonych jąder atomowych do niższych stanów energetycznych dominujące znaczenie mają trzy zjawiska:

- efekt fotoelektryczny, czyli energia fotonu gamma zostaje całkowicie zaabsorbowana przez elektron (kryształowi scyntylacyjnemu). Zjawisko to zachodzi na elektronach wiązanych przy czym energia fotonu musi być większa od energii wiązania elektronu Wn. Impulsy powstałe na wyjściu spektrometru będą miały amplitudę odpowiadającą kwantowi gamma, czyli największą amplitudę, zwane są fotopikami - to maksimum w liczbie zliczeń tych impulsów:

- efekt Comtona, który polega na rozproszeniu fotonów gamma na swobodnych elektronach, przy czym elektrony możemy uważać za swobodne gdy energia fotonu jest dużo większa od energii wiązania elektronów na elektronowych powłokach atomowych.

Na wyjściu z spektrometru powstałe impulsy tworzą widmo ciągłe przedstawione na rysunku:

- efekt tworzenia się (kreacji) par, zjawisko to zachodzi wówczas, gdy energia kwantu gamma jest większa od energii spoczynkowej elektronu i pozytonu. Para może powstać jedynie w obecności obdarzonej ładunkiem elektrycznym trzeciej cząstki: jądra lub elektronu. W momencie gdy w krysztale scyntylacyjnym powstania elektron i pozyton, wówczas przekaże on swoją energię kinetyczną licznikowi, a gdy to się stanie pozyton ulegnie anihilacji z jednym z elektronów scyntylatora, tworząc dwa kwanty (wynika to z zasady zachowania pędu), które mogą oddziaływać z kryształem w zjawisku fotoelektrycznym lub zjawiskiem Comptona.

Działanie spektrometru scyntylacyjnego.

Podstawowym elementem spektrometru scyntylacyjnego promieniowania gamma jest posiadający własności luminescencyjne, nieograniczony monokryształ jodku sodu aktywowanego talem, NaJ(Tl).

Impulsy napięciowe wzmacnianie są dzięki wzmacniaczowi liniowemu i przekazywane są do wielokanałowego analizatora amplitudy, który segreguje impulsy w zależności od amplitudy i zlicza je w odpowiednich kanałach. Na ekranie monitora zawartość kanałów widać jako widma energetyczne (zależność liczby impulsów od ich energii) im większa energia tym wyższy numer kanału. Schemat blokowy takiego spektrometru scyntylacyjnego przedstawia rysunek:

3. Opracowanie wyników.

Reakcja rozpadu pierwiastka Na (sód)

²²₁₁Na → ²²₁₀Ne* + ⁰₊₁B

²²₁₀Ne* → ²²₁₀Ne + γ(1,28)

Korzystając z wykresu rozpadu dla sodu przedstawionego poniżej wyznaczyłem plik absorpcji całkowitej.

• Wartości teoretyczne (uzyskane wyniki w [MeV] ):

- plik absorpcji całkowitej :

- krawędź Comptona:

- plik rozproszenia wstecznego:

- plik absorpcji całkowitej (anih.):

- krawędź Comptona (anih.): E_max =0,34

- plik rozproszenia wstecznego (anih.): E=0,17

• Wartości doświadczalne :

Ze sporządzonego wykresu prostej kalibracyjnej za pomocą programu Origin (wykres dołączony do sprawozdania) otrzymałem wartości parametrów A i B liniowej funkcji Y=A+BX. Równanie tej funkcji przekłada się na E=A+BN.

E=A+BN

Gdzie:

A= -0,03843 ± 0,02461

B=5,1368*10^-4 ± 1,51456*10^-5

N- numer kanału

ΔN=±10

1,274

0,529

0,177

Wartość teoretyczna [MeV]	Numer kanału	Wartość wyznaczona [MeV]	Błąd wartości wyznaczonej
1,28	2555		±0,064
1,07	2323	1,155	±0,060
0,21	420	0,177	±0,031
0,51	1104		±0,042
0,34	884	0,416	±0,038
0,17	420		±0,031

(wyniki z programu Excel)

4. Wnioski.

Z wyników uzyskanych teoretycznie i doświadczalnie widać, iż wartości wyznaczone doświadczalnie mieszczą się w granicach błędu względem wartości uzyskanymi teoretycznie. Uważam, że różnice między wartością doświadczalną, a teoretyczną spowodowane były wyznaczeniem prostej kalibracyjnej, za czym szła dokładnością odczytania numeru kanału i tym, ze prostą wyznaczamy tylko z trzech punktów (tabela z której uzyskaliśmy prostą w całości przedstawiona na protokole otrzymanym przez prowadzącego).

Dlaczego w przypadku kobaltu obserwujemy jedną krawędź Comptona i co się stało z drugą krawędzią?

Kobalt był najbardziej promieniotwórczy z badanych przez nas próbek który emituje strumienie promieniowania gamma o energiach 1,33MeV oraz 1,17 MeV, wywoływane przez efekt fotoelektryczny. Strumienie te wywołuje efekt Comptona, w wyniku którego powstaje strumień promieniowania gamma. Piki 1 i 2 są to piki absorpcji całkowitej, spowodowane zjawiskiem fotoelektrycznym. Pik 3 odpowiada krawędzi Comptonowskiej. Uważam, że za zanik drugiej krawędzi Comptonowskiej odpowiada piki 2 absorpcji całkowitej który się pokrywa z tymże pikiem.

Dlaczego w przypadku sodu pojawiają się fotony anihilacyjne?

Na obrazie widma próbki sodu przedstawionym na rys. 1 widać pik absorpcji całkowitej, krawędź Comptona, pik rozproszenia wstecznego oraz pik anihilacji. Sód jako jedyny z badanych pierwiastków ulega rozpadowi beta plus, w którym emitowany jest pozyton. Rozpad ten dostarcza dodatkowej ilości pozytonów (oprócz tych powstałych w efekcie tworzenia par), które anihilują z wolnymi elektronami. Wzmocnienie intensywności zjawiska anihilacji poprzez pojawienie się pozytonów przy rozpadzie sprawia, że możemy zaobserwować efekt tego zjawiska na spektrogramie.

Jakie stosujemy osłony w przypadku jonizującego promieniowania elektromagnetycznego?

W przypadku promieniowania α wystarczy odsunąć się od źródła na 10cm. W celu ochrony przed promieniowaniem β stosuje się osłony ze szkła, aluminium lub tworzywa sztucznego np. ekran z pleksiglasu. Przed promieniowaniem γ ochroni nas osłona ołowiana. Ochronę przed neutronami stanowi osłona z kadmu lub osłona betonowa z dodatkiem soli baru bądź żelaza. W celu spowolnienia neutronów zanim dotrą one do osłony stosuje się parafinę. Przy konstrukcji osłon ważna jest grubość zastosowanego materiału oraz jego trwałość. Grubość powinna być tak dobrana, by energia promieniowania zużywała się na jonizację osłony, a promieniowanie nie docierało do człowieka znajdującego się za osłoną.

7

---