Ćwiczenie LP1. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 22 listopada 2009

Transkrypt

1 Ćwiczenie LP1 Jacek Grela, Łukasz Marciniak 22 listopada Wstęp teoretyczny 1.1 Energetyczna zdolność rozdzielcza Energetyczna zdolność rozdzielcza to wielkość opisująca dokładność detekcji energii promieniowania. Zdefiniowania jako: R = F W HM E 0 (1) Gdzie: F W HM - szerokość piku w jego połowie wysokości, E 0 - położenie środka piku (traktując go jako krzywą dzwonową). Energetyczna zdolność rozdzielcza zależy od: 1. Fluktuacji jonizacji pierwotnej i wtórnej 2. Szumów aparatury elektronicznej, współpracującej z licznikiem 3. Wychwytu elektronów przez gazy elektroujemne stosowane jako domieszki do gazu głównego 4. Nieidealne geometrie anody i katody 5. Efekty końców 6. Zaburzenia pola elektrycznego wynikającego z istnienia okienka licznika 1.2 Krzywa kalibracji Prosta kalibracji to funkcja wiążąca kanały (uzyskiwane bezpośrednio z pomiaru) z energią - wielkością przydatną jako wynik eksperymentu. Kalibracji dokonuje się jako dopasowania funkcji liniowej do zidentyfikowanych (pobranych z tablic) pików: E = A ch + B (2) Gdzie: ch kanał dla danego piku, E energia dla piku. Zwykle staramy się wybrać najbardziej widoczne piki z wykresu aby uzyskać najmniejszą niepewność kalibracji. 1.3 Piki główne i piki ucieczki Piki główne powstają wtedy, gdy całkowita energia promieniowania zostaje zdeponowana w objętości czynnej detektora. Dzieje się tak w przypadku absorpcji promieniowania jonizującego przez gaz oraz emisję elektronu Augera przez wzbudzoną cząsteczkę gazu. Piki ucieczki to wynik odwzbudzenia cząsteczki gazu przez chrakterystyczne promieniowanie X (zamiast elektronu Auger) - jest ono niechętnie przez ten gaz absorbowane i ucieka z objętości czynnej. 1

2 2 Eksperyment 2.1 Tor pomiarowy, geometria pomiaru i schematy rozpadów Rys.1 Schematyczny tor pomiarowy. Na Rys.1 przedstawiono schemat pomiaru wraz z dokładniejszą specyfikacją używanych urządzeń. Używaliśmy pudełkowego detektora proporcjonalnego wypełnionego kryptonem z izopentanem. Rys.2 Geometria eksperymentu. Na Rys.2 pokazano uproszczoną geometrię położenia źródła i próbki. Do badania próbek używaliśmy źródeł 55 F e oraz 109 Cd, ich schematy rozpadu przedstawiono na Rys.2 poniżej: Rys.3 Schematy rozpadu badanych pierwiastków 1. Na schematach uwzględniono jedynie przejścia, które były istotne w ćwiczeniu. 2.2 Przebieg ćwiczenia Dokonaliśmy pomiaru 13 pierwiastków, używając do tego dwóch źródeł 55 F e oraz 109 Cd. Poniżej przedstawiamy wyniki pomiarów (wykresy oraz interpretację pików). Do obliczenia zdolności rozdzielczej i wyznaczenia położenia niektórych pików użyliśmy zwykłej linijki. 1 opracowano na podstawie http : //ie.lbl.gov/toi 2

3 2.3 Kalibracja detektora Tab.1 Tabela z danymi do kalibracji. Kanał Energia [kev] W Tab.1 zestawiono kanały i przyporządkowane im energie 2. Na podstawie wzoru (2) Na Wyk.1 widać krzywą kalibracji: E = (0.027 ± 0.001) ch + (0.20 ± 0.22) E [kev] ( / )ch + (0.20 +/- 0.22) ch [-] Wyk.1 Krzywa kalibracyjna. Na podstawie kalibracji podanej powyżej będziemy dokonywać wyliczeń energii eksperymentalnej. Niepewność u(e) = 0.2 [kev ] przyjmujemy jako niepewność współczynnika wolnego w równaniu kalibracji. 2 Używano tabeli 3.2 str ze skryptu B. Dziunikowski, S. Kalita Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych 3

4 2.4 Ogólne uwagi dotyczące przedstawienia pomiarów Ponieważ dołączamy dużą ilość wykresów, nie będą one ponumerowane a jedynie podpisane od jakiego pierwiastka pochodzą. Niektóre piki (niezidentyfikowane bądź wątpliwe) będą omówione pod koniec sprawozdania. Jedynie w pierwszej prezentowanej poniżej sekcji tabela z wynikami jest dokładnie objaśniona, następne podpunkty zawierają jedynie wyniki wraz z komentarzem. Większość próbek była oświetlana 109 Cd, jedynie tytan i wanad badaliśmy żelazem. 2.5 źródło 109 Cd Na początku zbadano źródła którymi były oświetlane próbki. W Tab.2 zestawiono zidentyfikowane piki: Tab.2 Tabela z danymi dla 109 Cd. 135? 3.9?? dyskusja dalej ucieczka K α poprzez Kr K β ucieczka K α poprzez Kr K α ucieczka K β poprzez Kr K α główny K α główny K β - Objaśnienia pól: kanał eksp. numer kanału pobierany z doświadczenia, en. tabl. energia piku pobrana z tablic 3, en. eksp. energia piku wyznaczona z kalibracji (niepewność 0.2 [kev ]), typ piku pole oznaczające pik jako główny lub ucieczki, linia linia promieniowania X ze źródła, uwagi dodatkowe informacje, np. z jakiego przejścia pik ucieczki. 3 Używano tabeli 3.2 str ze skryptu B. Dziunikowski, S. Kalita Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych 4

5 2.6 źródło 55 F e Tab.3 Tabela z danymi dla 55 F e główny K α - Nie zaobserwowaliśmy piku K β ponieważ, jak wynika z tablic izotopów 4, linia ta jest słabo widoczna. Dodatkowo, czas zebrania widma był zbyt krótki by zobaczyć taki mniej intensywny pik. Brak linii 140, obecnej w reszcie próbek, to także wynik krótkiego czasu pomiaru. 4 pod adresem 5

6 2.7 Ni Tab.4 Tabela z danymi dla Ni. 141? 4.0?? dyskusja dalej główny K α - 6

7 2.8 V Próbkę badano 55 F e, można tak wywnioskować z małego tła widma. Tab.5 Tabela z danymi dla V. 133? 3.8?? dyskusja dalej główny K α - 7

8 2.9 Cu Tab.6 Tabela z danymi dla Cu. 141? 4.0?? dyskusja dalej główny K α - 8

9 2.10 T i Próbkę badano 55 F e, można tak wywnioskować z małego tła widma. Tab.7 Tabela z danymi dla T i. 143? 4.1?? dyskusja dalej główny K α - 9

10 2.11 Nb Tab.8 Tabela z danymi dla Nb. 135? 3.8?? dyskusja dalej 212? 5.9?? niezidentyfikowany 278? 7.7?? dyskusja dalej główny K α - Nie udało nam się zidentyfikować piku w kanale nie odpowiada on żadnemu pikowi głównemu bądź ucieczki dla badanej próbki i gazu w detektorze. Nie da się go także związać z pikiem o kanale 278. Piki ucieczki dla kanału 612 nie są widoczne ponieważ wypada on w okolicach kanału jego źródło jest inne, co wykażemy dalej. 10

11 2.12 Co Tab.9 Tabela z danymi dla Co. 141? 4.0?? dyskusja dalej główny K α - 11

12 2.13 T a Tab.10 Tabela z danymi dla T a. 136? 3.9?? dyskusja dalej główny L α główny L β - Jak możemy odczytać z tablic wydajności fluorescencji 5, przejścia charakterystyczne typu L jest już dla tantalu zauważalne (Z=73, ω L = 0.293). O ile dla większości badanych pierwiastków liczba atomowa Z jest zbyt niska by zauważyć te przejścia, w tym przypadku można je zauważyć. Przejścia typu K leżą poza badanym zakresem. 5 Używano tabeli 3.4 str. 61 ze skryptu B. Dziunikowski, S. Kalita Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych 12

13 2.14 F e Tab.11 Tabela z danymi dla F e. 139? 4.0?? dyskusja dalej główny K α - 13

14 2.15 Sn Tab.12 Tabela z danymi dla Sn. 141? 4.0?? dyskusja dalej 278? 7.7?? dyskusja dalej ucieczka K α poprzez Kr K α ucieczka K β poprzez Kr K α główny K α - Linii głównej K β nie udało się zaobserwować z powodu zbyt wysokiej energii jednakże obecność piku ucieczki dla tego promieniowania upewniło nas o wykryciu także linii głównej. 14

15 2.16 Ag Tab.13 Tabela z danymi dla Ag. 139? 4.0?? dyskusja dalej ucieczka K α poprzez Kr K β ucieczka K α poprzez Kr K α ucieczka K β poprzez Kr K α główny K α główny K β - 15

16 2.17 Mo Tab.14 Tabela z danymi dla Mo ucieczka K α poprzez Kr K α ucieczka K β poprzez Kr K α główny K α - 16

17 2.18 Zn Tab.15 Tabela z danymi dla Zn. 140? 4.0?? dyskusja dalej główny K α - 17

18 2.19 Zr Tab.16 Tabela z danymi dla Zr ucieczka K α poprzez Kr K α 140? 4.0?? dyskusja dalej ucieczka K β poprzez Kr K α 277? 7.7?? dyskusja dalej główny K α - 18

19 2.20 Dyskusja przypadków Po przeanalizowaniu wszystkich widm stwierdzamy, że dwie linie są powtarzalne dla wszystkich próbek i ich dyskusję pozostawiliśmy na później. Jeden z tych pików powtarzał się w trakcie pomiarów w okolicach kanału 140 (energia 4.0 [kev ]), przeważnie występując jako jedyny dla tej energii. Drugi z nich to piki w otoczeniu 277 kanału (energia 7.7 [kev ]). Ponieważ ich obecność nie zależy od badanej próbki oraz używanego źródła, muszą one być częścią detektora. W przypadku linii 277 identyfikujemy ją jako nikiel (K α = 7.5 [kev ]), który jest składnikiem okienka i jego promieniowanie charakterystyczne może być wychwycone przez detektor. Jednakże linia 140 nie da się wyjaśnić w ten sposób - pierwiastkiem dla tej energii jest skand (K α = 4.0 [kev ]) który nie wydaje się składnikiem detektora Zależność energetycznej zdolności rozdzielczej od energii Obliczono energetyczne zdolności rozdzielcze dla najbardziej dokładnych pików według wzoru (1). Badano relację postaci: R = a + b E Wyniki zestawiono w Tab.17 : Tab.17 Tabela z danymi do obliczeń R(E). R[cm] Energia [kev] Po przeliczeniu jednostek zdolności rozdzielczej wykonano Wyk.2 : R [-] (4.3 +/- 0.5 )1/sqrt(E) - (0.02 +/- 0.02) /sqrt(E) [-] Wyk.2 Zależność zdolności rozdzielczej i energii. Tak jak się spodziewano, uzyskano przybliżoną zależność liniową. 19