Ćwiczenie 13. Spektrometr gamma

Transkrypt

1 Ćwiczni 13 Sktromtr gamma Studnt winin wykazać się znajomością: 1. Prominiowani gamma, jgo własności i oddziaływani z matrią (n. otokt, kt Comtona, zjawisko tworznia ar).. Licznik scyntylacyjny budowa i zasada działania. 3. Sktromtr gamma, budowa i zasada działania.

2 Pomoc mrytoryczna do oracowania wyników. Widmo nrgtyczn rominiowania gamma mitowango rzz matriał rominiotwórczy jst z rguły widmm liniowym (dyskrtnym) o niwilkij, często jdnj, liczbi wystęujących nrgii. Stąd w wilu rzyadkach zastosowani urządzń ozwalających okrślić t nrgi nawt z stosunkowo nidużą dokładnością moż dostarczyć wystarczającj inormacji o rodzaju źródła rominiotwórczgo i jgo aktywności. Do takigo clu bardzo dobrz nadają się scyntylacyjn sktromtry gamma. Jako matriał scyntylacyjny najczęścij stosuj się kryształ NaJ(Tl). Uroszczony schmat takigo sktromtru jst okazany na rys.l. Rys. 1. Uroszczony schmat blokowy scyntylacyjngo sktromtru y: S - scyntylator; F - otoowilacz; W -wzmacniacz; A - analizator amlitudy (jdno- lub wilokanałowy). W sktromtrz scyntylacyjnym odowidzią na wniknięci do scyntylatora otonu gamma jst ojawini się na wjściu analizatora A imulsu naięciowgo o wnj amlitudzi, owidzmy U. W rzyadku analizatora wilokanałowgo cały zakrs możliwych amlitud naięcia jst odzilony na onumrowan rzdziały (z rguły równ) -zwan kanałami - tak ż ojawini się imulsu z okrślongo rzdziału amlitud owoduj zarjstrowani go w amięci odnośngo kanału. W rzyadku analizatora jdnokanałowgo, zminiamy sukcsywni rzdział amlitud imulsów rzuszczanych do analizatora (i rjstrowanych w nim lub srzężonym z nim rzliczniku). W obu rzyadkach wynikim omiaru jst tzw. rozkład amlitud - nikidy mówi się o widmi amlitud. Analiza tgo widma ozwala wnioskować o widmi nrgtycznym otonów gamma. Dobra znajomość sktromtru ozwala rzy znajomości widma nrgtyczngo rominiowania gamma rzwidzić kształt widma amlitud imulsów, natomiast wnioskowani w drugą stronę z rguły jst mnij jdnoznaczn. Podstawowymi charaktrystykami sktromtru są: 1) odowidź sktromtru (odnośn widmo amlitud imulsów) na mononrgtyczn rominiowani gamma; ) nrgtyczna zdolność rozdzilcza; 3) zalżność wydajności rjstracji od nrgii otonów gamma. O wartości amlitudy U imulsu ojawiającgo się na wjściu analizatora sktromtru

3 scyntylacyjngo dcydują: nrgia wytworzongo w scyntylatorz błysku (jj miarą moż być liczba owstałych otonów luminscncyjnych) E s, wsółczynnik charaktryzujący wydajność konwrsji oton-lktron katody otoowilacza K, wzmocnini struminia lktronów w owilaczu W oraz wzmocnini W w, co możmy zaisać wzorm 1. U const. E K W W. s Znak rzybliżonj równości odzwircidla akt, ż wystęując tu rocsy (jak n. konwrsja oton-lktron) mają charaktr statystyczny i odnośn wsółczynniki odzwircidlają śrdni kty. W wzorz (1) trzy końcow aramtry można rzyjąć za nizalżn od czynnika wywołującgo błysk, wobc czgo: w. U = A, E s gdzi A jst wną stałą aaraturową. Enrgia błysku E s jst z dobrym rzybliżnim roorcjonalna do nrgii E straconj rzz cząstkę jonizującą w matrial scyntylatora; gdy cząstka taka, n. lktron, zostani ochłonięta w scyntylatorz będzi to nrgia, jaką cząstka miała wnikając do nigo). Ostatczni więc mamy: 3. U = A E, gdzi A jst stała aaraturową. Można ją wyznaczyć z omiaru amlitudy imulsu rzy znanj wartości E (najlij to robić owodując ochłaniani cząstki o znanj nrgii E cz w scyntylatorz; wtdy E = E cz ). Fotony gamma rzchodząc rzz substancję mogą nikidy rznikać rzz stosunkowo grub jj warstwy bz żadngo oddziaływania; w rzyadku scyntylatora oznacza to możliwość rzniknięcia rzzń otonu gamma bz wywołania błysku czyli scyntylacji. Istnij jdnak skończon rawdoodobiństwo (rzy grubym scyntylatorz nawt duż), ż wystąi jdn z trzch rocsów: zjawisko otolktryczn, rozroszni komtonowski, tworzni.ar - +. Wtdy nadal będzi obowiązywać wzór (3), al rzz E nalży rozumić sumaryczną nrgię straconą rzz cząstki naładowan (lktrony, ozytony) owstał w scyntylatorz w wyniku oddziaływania irwotngo otonu gamma (i wntualni jgo ochodnych) z matriałm scyntylatora. Dla uroszcznia będzimy rzyjmować, ż owstał w scyntylatorz lktrony i ozytony są w nim ochłanian. Aby w wyniku wniknięcia otonu gamma do scyntylatora ojawił się w nim błysk,

4 musi zajść jdno z wyżj wyminionych trzch zjawisk. Możliwość wywołania rzz oton gamma każdgo z tych zjawisk moż być scharaktryzowana odowidnim liniowym wsółczynnikim absorcji, owidzmy dla otoktu, c dla Comtona i dla zjawiska tworznia ar. Jżli zatm korzystać z dobrz skolimowanj wiązki otonów gamma (owidzmy o zadanj nrgii E ; wsółczynniki i zalżą od nij) skirowanj rostoadl do owirzchni scyntylatora, to całkowita wydajność scyntylatora wynika z wzoru: d 4. ε = [ 1 ε ], gdzi d jst grubością scyntylatora, a s E E = E + c E + 5. ( ) ( ) ( ) ( ). Względny udział oszczgólnych rocsów w tj wydajności wynosi odowidnio: 6. ε =, dla otoktu ε ε c = = c, dla ktu Comtona, dla tworznia ar. Rozważmy koljno co dzij się w scyntylatorz rzy zajściu którgoś z tych rocsów. W rzyadku otoktu nrgia otonu gamma zostaj rztworzona w nrgię kintyczną lktronu i rominiowania rntgnowskigo wzbudzongo atomu. Praktyczni można rzyjąć, ż E w wzorz (3) jst równ wtdy E ; odnośn amlitudy U (dla wilu takich rocsów) oscylują w okolicy U = A E.W rzyadku rozrosznia komtonowskigo nrgia irwotngo otonu E jst dzilona między kwant rozroszony ( odrzutu ( E c ) rzy czym nrgia lktronu moż się zminiać E ) i lktron 7. E c max = E α E 1 = 1 + α 1 + α gdzi E 8. α = ; mc jst stosunkim nrgii otonu gamma do nrgii soczynkowj lktronu, a więc w tym rzyadku mamy więc: 9. < E <. 0 E c max

5 Jżli rozroszony oton zostani równiż ochłonięty w scyntylatorz, to wilkość E jst taka sama jak dla otoktu wywołango otonm irwotnym. Tworzni ar - + jst możliw doiro wtdy gdy nrgia otonu y rzwyższa odwójną nrgię soczynkową lktronu (1,0 MV). Zrodzon w tym rocsi lktron i ozyton są hamowan w scyntylatorz oddając mu nrgię kintyczną, równą 10. E E m c, min = Zatrzymany ozyton anihiluj z jdnym z lktronów scyntylatora, rzy czym nastęuj misja dwu otonów anihilacyjnych o nrgii 0,511 MV każdy. Jżli oba t otony ouszczą scyntylator to mamy: 11. E = E = E m c. 1 Jżli jdn z tych otonów zostani ochłonięty w scyntylatorz (będzi to z wnością otokt), wtdy: 1. E = E = E + m c = E m c, 1 Jżli oba otony anihilacyjn zostaną ochłonięt to: 13. E = E + m c = E 1 ma taką samą wartość jak dla otoktu. Zatm widmo amlitud będąc odowidzią sktromtru scyntylacyjngo (uściślijmy: rostgo, jdnolicznikowgo) jst bardzo skomlikowan i rozciąga się od U = 0 do U max bliskigo U = A E. Schmatyczni jst ono okazan na rysunku.

6 Dla clów analizy nrgtycznj rominiowania -y najistotnijszym ragmntm widma amlitudowgo z rys.. jst ik związany z zamianą całj irwotnj nrgii otonu gamma w nrgię rowadzącą do owstania błysku. Jżli jst on wyraźni oddzilony od ozostałj części widma (dostatczni wąski) to możmy mówić o dobrj charaktrystyc sktromtru w zakrsi nrgii otonów gamma z obszaru bliskigo E. Z ołożnia wirzchołka tgo iku (otrzbna jst wczśnijsza kalibracja sktromtru - wyznaczni stałj A wystęującj w wzorz (3) ) można wnioskować o nrgii otonów gamma. Wnioskowani to, a w szczgólności rozdzilni takich ików odnoszących się do dwu lub więcj oulacji otonów gamma (o różnych nrgiach) docirających do scyntylatora będzi tym lsz, im iki t będą węższ i im większa będzi ich owirzchnia (P ) w stosunku do całj owirzchni od wykrsm widma (P c ). Szrokość iku na ołowi jgo wysokości AE (wyrażona za omocą wzoru (3)) w jdnostkach nrgii a ni naięcia - oznacza bzwzględną nrgtyczną zdolność rozdzilczą sktromtru dla danj nrgii E, a wilkość 14. V E =, E nosi nazwę względnj zdolności rozdzilczj; często odaj się ją ni ułamkowo (n. 0,05) a rocntowo (n. 5%). Cl doświadcznia: Clm doświadcznia jst omiar widma nrgtyczngo dla źródł rominiowania gamma, okrślni nrgii oszczgólnych linii tgo rominiowania oraz wyznaczni zdolności rozdzilczj sktromtru. Schmat układu doświadczalngo jst analogiczny do układu oisango w części tortycznj, ida omiaru równiż. Tchnika omiarów. 1. Zaoznać się z układm omiarowym (wszlki wątliwości kirować od adrsm osób oikujących się racownią).. Zdjąć rozkład amlitudy rzy szrokości rzdziału amlitud tzw. "bramc" równj 0,1 [V], zminiając wartość dolngo naięcia "bramki" od 0 do 10V z skokim 0,1 [V] dla trzch, otrzymanych od oikuna racowni, źródł rominiotwórczych tzn. Na, Co 60 oraz Cs 137.

7 Oracowani wyników: 1. Sorządzić wykrsy zalżności szybkości zliczń od naięcia rogowgo analizatora, I = I(U ) - tzw. widmo amlitudow. W okolicy maksimów naniść niwności omiarow (wyjaśnić dlaczgo akurat tam).. Korzystając z widma nrgtyczngo Na oraz inormacji o wartości nrgii E s otonów owstających w wyniku anihilacji ar wyznaczyć stałą kalibracyjną A sktromtru. A = U s /E s, gdzi E s = 0,511 MV, a U s jst śrdnią amlitudą sygnału uwarunkowango rjstracją otonu anihilacyjngo. 3. Korzystając z wyznaczonj stałj kalibracyjnj sktromtru okrślić nrgię rominiowania gamma - E dla wszystkich badanych źródł. 4. Wyznaczyć nrgtyczną zdolność rozdzilczą sktromtru (szczgóły w omocy mrytorycznj). 5. Otrzyman wyniki orównać z wartościami katalogowymi. Końcow wnioski i oblicznia rzdstawić w tablach i rzdyskutować.