DETEKCJA PROMIENIOWANIA JĄDROWEGO ZA POMOCĄ LICZNIKA
GEIGERA - MULLERA .

1. Wstęp teoretyczny :

W roku 1896 francuski uczony Becquerel odkrył , że minerały zawierające uran emitują niewidoczne dla ludzkiego oka promieniowanie działające na kliszę fotograficzną . Badania dotyczące tego zjawiska prowadzone przez Marię Skłodowską - Curie i jej męża Piotra

doprowadziły do odkrycia nowych pierwiastków : polonu i radu , które emitują to promieniowanie i zostają nazwane z tego powodu pierwiastkami promieniotwórczymi lub radioaktywnymi . Dalsze badania prowadzone głównie przez Rutherforda i Soddy ' ego wykazały , że zjawisku promieniotwórczości towarzyszy powstawanie nowych pierwiastków , a więc jego istota polega na zmianach zachodzących w jądrach atomowych .

Obecnie znamy kilka rodzajów promieniowania jądrowego . Należą do nich :a , b , b ,g ,

wychwyt E . Wiemy także , iż pierwiastki promieniotwórcze ulegają rozpadowi .

Tym rozpadom promieniotwórczym rządzą prawa takie jak : reguła przesunięć, czyli :po emisji promieniowania , jądra macierzyste przekształcają się w jądra nowych pierwiastków. Wiemy także , iż rozpad pierwiastków promieniotwórczych nie następuje równocześnie we wszystkich atomach pierwiastka . Badania jonizacji gazów wywołanych promieniowaniem wykazały , że ilość substancji promieniotwórczej , zmniejsza się w ten sposób , iż w jednakowych odstępach czasu zanika połowa atomów pierwiastka .

Charakterystyczny dla każdego pierwiastka promieniotwórczego czas , w którym następuje rozpad połowy jego atomów nazywa się okresem połowicznego rozpadu . Dla

wynosi on 1950 lat ,
, a polonu

OPIS DOŚWIADCZENIA :

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadami detekcji promieniowania jądrowego , wyznaczanie pracy parametrów licznika .

Najbardziej rozpowszechnionym przyrządem służącym do liczenia cząstek promieniowania jest licznik Geigera - Mullera (G -M) . Schemat budowy jest bardzo prosty W rurze mosiężnej , glinowej lub miedzianej , średnicy od 1 do kilku cm , naciągnięty jest osiowo , odizolowany od rury drucik stalowy lub wolframowy o grubości 0,1 - 0,2 mm .

Rurę z obu stron zamyka się szczelnie lub też wkłada się do rury szklanej i zatapia . Za pomocą adutowanej rurki szklanej napełnia się licznik mieszaniną argonu i pary alkoholu . Rurkę się zatapia . Między drucik (anodę) i rurę (katodę) włącza się napięcie i opór .

Licznik ma tę własność , że jeśli jakikolwiek czynnik jonizujący , a więc np . promienie Rontgena , g lub kosmiczne wyzwolą wewnątrz chociaż jeden elektrin , wówczas w silnym polu elektrycznym biegnie on ku drucikowi i nabiera dostatecznie dużej prędkości , aby przy zderzeniach z neutralnymi drobinami zjonizować je . Te z kolei także rozpędzają się i jonizują inne . Wytwarza się lawina jonów , która przenosi znaczne ładunki . Przez licznik przepływa krótkotrwały prąd wywołujący skok potencjału na oporze . Przepływ ten nie trwa długo . Prąd płynie przez licznik i po upływie kilku stutysięcznych sekundy przerywa się , po czym wraca wszystko do stanu równowagi . Gdy nowa przyczyna wytworzy nową

parę jonów , znów popłynie przez licznik prąd , skok potencjału powtórzy się . Te zmiany wzmacniacza doprowadza się do wzmacniacza lampowego oporowego . Wzmocnione impulsy działają bezpośrednio lub pośrednio na jakikolwiek przyrząd rejestrujący , np . na numerator używany do rejestrowania rozmów telefonicznych . Przy każdym impulsie dawanym przez licznik wyskakuje na numeratorze numer wskazujący na liczbę impulsów .

Wyzwolenie prądu w pojedynczym liczniku wywołuje jakkolwiek przyczyna jonizująca gaz w liczniku .Zasilacz wysokiego napięcia dostarcza napięcia zasilania licznika . Napięcie to jest stabilizowane i może być regulowane w sposób skokowy i ciągły , a jego wartość dokładnie odczytana z położenia regulatorów . Elektroniczny przelicznik impulsów umożliwia zliczanie impulsów w zadanym czasie ( PRESENT TIME ) lub zlicza żądaną liczbę impulsów ( PRESENT COUNT ) . Rejestracja impulsów pochodzących z licznika możliwa jest przy zadaniu określonego progu napięcia i polaryzacji . Przelicznik ten z miernikiem G - M wymaga ustawienia wartości progowej 0,2 V oraz polaryzacji ujemnej . Przy tej wartości napięcia progowego przelicznik będzie rejestrował impulsy większe od 0,2 V , a pominie impulsy mniejsze wynikajace z różnych zakłóceń .

Zasady detekcji promieniowania jadrowego opierajasię na wykorzystaniu praw oddziaływania tego promieniowania z materią .Zależność liczby impulsów N , zarejestrowanych licznikiem G - M w jednostce czasu , od napięcia zasilającego U nazywa się jego charakterystyką . Napięcie pracy licznika Geigera - Mullera dobiera się w środkowej części " plateau " licznika /poziomy odcinek charakterystyki dla napięć U z przedziału Ua < U < Ub / , gdyż dzięki niezależności szybkości zliczeń od napięcia na tym odcinku charakterystyki nie ma potrzeby stosowania stabilizowanych zasilaczy .Jeżeli oznaczymy przez DN różnicę szybkości zliczeń na końcu i początku " plateau " , a przez Np

szybkość zliczeń na środku " plateau " , to nachylenie " plateau " wyliczymy ze wzoru .

,

przy czym DU = Ub - Ua - długość " plateau " .

Nachylenie " plateau " wyraża więc względny przyrost szybkości zliczeń w obszarze prostoliniowym charakterystyki ( w % ) , przypadający na 100 V . Oprócz impulsów pochodzacych od mierzonego promieniowania występuje zawsze tzw. bieg własny licznika ( tło ) .

Bieg własny licznika jest powodowany promieniowaniem kosmicznym , zanieczyszczeniami promieniotwórczymi materiału licznika i otoczenia oraz promieniowaniem Ziemi .

RYSUNEK :

Schemat aparatury pomiarowej służącej do detekcji promieniowania jądrowego :

2.Tabele wyników :

Wyznaczanie charakterystyki licznika Geigera - Mullera :

Ustawiamy wysokie napięcie na maksymalną wartość 570 V oraz czas zliczeń na 100 sekund . Obniżając napięcie co 10 V wykonujemy pomiary liczby zliczeń w funkcji przyłożonego napięcia :

TABLICA 1.Liczba zliczeń w zależności od przyłożonego napięcia :

Lp. Napięcie L.zliczeń Lp. Napięcie L.zliczeń Lp. Napięcie L.zliczeń

U =[ V ] N U = [ V ] N U = [ V ] N

1 570 137 12 460 53 23 350 33

2 560 125 13 450 40 24 340 35

3 550 91 14 440 44 25 330 29

4 540 91 15 430 47 26 320 22

5 530 66 16 420 44 27 310 25

6 520 73 17 410 37 28 305 33

7 510 84 18 400 34 29 304 24

8 500 62 19 390 33 30 303 23

9 490 61 20 380 30 31 302 20

10 480 51 21 370 30 32 301 0

11 470 49 22 360 29 33 300 0

Wykres przedstawiający zależność liczby zliczeń od liczby porządkowej , na podstawie ,którego można wyznaczyć długość " plateau ", z którego wyznaczamy nachylenie " plateau " .

Z powyższych pomiarów wynika , że napięcie progowe wynosi 300 V . Z pomiarów oraz z wykresu można odczytać " plateau " licznika Geigera - Mullera . W tym przypadku jest to odcinek między 350 V a 450 V . Wynika stąd , iż długość " plateau " wynosi

D U = 450 V - 350 V = 100 V.

Aby zbadać nachylenie " plateau " , należy skorzystać ze

wzoru :
, gdzie

S - nachylenie " plateau "

D N - różnica szybkości zliczeń na końcu i początku " plateau "

Np - szybkość zliczeń na początku " plateau "

D U - długość " plateau "

S = 2,1 %

Nachylenie " plateau " S wynosi 2,1 % .

SPRAWDZENIE STATYSTYCZNEGO CHARAKTERU WYŁADOWAŃ :

Seria 60 pomiarów liczby zliczeń przy ustalonej wartości napięcia ze środka " plateau " tzn.

U = 400V , a czas zliczeń t = 40 s .

Tabela : Liczba zliczeń przy ustalonej wartości napięcia U :

Lp. N dN Lp. N dN Lp. N dN

1 15 1 21 14 2 41 15 1

2 10 6 22 21 -5 42 16 0

3 9 7 23 22 -6 43 12 4

4 11 5 24 16 0 44 10 6

5 14 2 25 14 2 45 13 3

6 20 -4 26 21 -5 46 13 3

7 13 3 27 16 0 47 12 4

8 17 -1 28 13 3 48 15 1

9 10 6 29 34 -18 49 20 -4

10 6 10 30 19 -3 50 18 -2

11 14 2 31 18 -2 51 18 -2

12 16 0 32 10 6 52 17 -1

13 10 6 33 15 1 53 16 0

14 19 -3 34 18 -2 54 24 -8

15 12 4 35 16 0 55 18 -2

16 10 6 36 18 -2 56 23 -7

17 15 1 37 15 1 57 12 4

18 13 3 38 18 -2 58 20 -4

19 18 -2 39 12 4 59 14 2

20 13 3 40 11 5 60 16 0

Średnia : N = 16 DN = 0,5 DN = średnia - N

Miarą statystycznego rozrzutu pomiarów jest błąd średni wartości zmierzonej lub odchylenie standardowe d . Dla rozkładu Gaussa błąd średni równy jest pierwiastkowi z wartości średniej . Odchylenie standardowe ( średni błąd kwadratowy ) :

Średni błąd kwadratowy dla serii 60 pomiarów liczby zliczeń wynosi :

Aby przekonać się o statystycznym charakterze rozrzutu wyników pomiarów należy sporządzić histogram wyników pomiarów .W tym celu na osi odciętych odłożyć należy wartości liczby zliczeń otrzymane w poszczególnych pomiarach . Oś odciętych podzielić należy na przedziały o szerokości d N mokół wartości N . Na osi rzędnych odłożyć należy liczbę pomiarów d n , w których uzyskano wynik zawarty w przedziale o szerokości d N wokół wartości N .

TABELA : HISTOGRAM

(dN)j 5--10 10--15 15--20 20--25 25--30 30--35

(dn)j 8 24 22 5 0 1

(dN)j - j-ty przedział wyników pomiarów liczby zliczeń

(dn)j - liczba pomiarów , w których zarejestrowana liczba zliczeń była zawarta we wskazanym ( j - tym ) przedziale wartości .

WNIOSKI :

Reasumując: na rozrzut wyników pomiarów podczas detekcji promieniowania jądrowego mają wpływ nie tylko niedoskonałości metody pomiarowej , ale też fluktuacje związane ze

statystycznym charakterem procesów rozpadów jądrowych .Wskutek występowania statystycznych fluktuacji , wartości zmierzone są w określony sposób rozłożone wokół pewnew wartości , tzw. wartości oczekiwanej .W naszym doświadczeniu otrzymane wyniki są bardzo dokładne , nachylenie licznika Geigera - Mullera wynosi 2,1 % i znajduje się w dobrym przedziale ( 2 - 3 % ) .Doświadczenie było wykonane bardzo dokładnie i wiele razy i dlatego możliwe jest przeprowadzenie w miarę dokładnej statystyki .Licznik Geigera - Mullera jest urządzeniem bardzo dokładnym ,ale aby znależc wartość najlepiej przybliżającą wartość oczekiwaną oraz parametry charakteryzujące uzyskane przybliżenia należy w tych samych warunkach przeprowadzić wielokrotnie pomiary .

W naszym doświadczeniu nachylenie Geigera - Mullera wynosi 2,1 % .Jest to bardzo dokładny wynik , mieszczący się w przedziale podawanym przez żródła fachowe ,2 - 3 % .

Doświadczenie wykonywaliśmy wiele razy co pozwoliło nam określic dosyć dokładny wynik . Jak widać z tabeli rozrzut wyładowań był bardzo duży ,co nie pozwoliło nam określić w sposób jednoznaczny "plateau " licznika .Przyjęte przez nas wartości najlepiej określają " plateau " . Błąd pomiaru statystycznego wyładowań wynosi 4,5 - błąd jest dosyc mały .Na rozrzut wyników pomiarów podczas detekcji promieniowania jądrowego mają wpływ nie tylko niedoskonałości metody pomiarowej , ale też fluktuacje związane ze statystycznym charakterem procesów rozpadów jądrowych .Doświadczenie było przeprowadzone dokładnie .