Promieniowanie kosmiczne

Transkrypt

1 Promieniowanie kosmiczne Marcin Abram 19 lutego Wst p teoretyczny 1.1 Promieniowanie kosmiczne Wyró»nia si pierwotne i wtórne promieniowanie kosmiczne. Pierwotne promieniowanie kosmiczne to strumie«cz stek (m.in. p, α, j dra ci»kich pierwiastków), które zostaªy wysªane z naturalnych ¹ródeª le» cych poza Ziemi (np. z gwiazd, supernowych). Wtórne promieniowanie to cz stki, które powstaj w wyniku oddziaªywania pierwotnego promieniowania kosmicznego z atmosfer. S to gªównie e +, e, oraz miony. Na poziomie morza promieniowanie wtórne skªada si z 80% z mionów, w 19% z e, w 1% z nukleonów. W do±wiadczeniu z marca 2009 r. zarejestrowano, za pomoc licznika scyntylacyjnego, miony µ, które powstawaªy w wyniku rozpadu w atmosferze ziemskiej mezonów π: π + µ + + ν µ, (1) π µ + ν µ. (2) Czas»ycia mionów µ wynosi okoªo 2, (s). Miony powstaj okoªo 15 km nad poziomem morza. Gdyby nie efekt relatywistyczny, miony rozpadaªyby si po przebyciu okoªo 750 m. Z powodu,»e ich pr dko± jest bliska pr dko±ci ±wiatªa, dla obserwatora w ukªadzie zwi zanym z Ziemi czas»ycia mionów jest wystarczaj co dªugi,»eby mogªy one dolecie do powierzchni Ziemi. 1.2 Zale»no± liczby zarejestrowanych mionów od k ta Θ Zale»no± liczby zarejestrowanych mionów dn, padaj cych w k t bryªowy dω na powierzchni da w czasie dt, od k ta Θ mi dzy kierunkiem wertykalny, a kierunkiem obserwacji, jest opisywana wzorem: dn dadωdt = I 0 cos 2 Θ. (3) Stosuj c ten wzór przyjmuje si,»e maksymalne nat»enie promieniowania jest z kierunku wertykalnego, oraz»e tªo promieniowania jest pomijalnie maªe. 1

2 2 Opis eksperymentu Eksperyment wykonywano 6. i 13. marca 2009 r. w II pracowni zycznej Instytutu Fizyki UJ w Krakowie. Do pomiaru u»ywano dwóch liczników scyntylacyjnych o powierzchni okoªo 0,024 m 2, odlegªych od siebie o 0,50(2) m. Impulsy z liczników prowadzono do dyskryminatora, który obcinaª impulsy o maªym nat»eniu (szum). Detektory mo»na byªo ustawi pod ró»nymi k tami do kierunku wertykalnego. Do pomiaru liczby cz stek u»ywano ukªadu koincydencyjnego (rejestrowano jeden impuls w momencie, gdy obydwa detektory, w krótkim odst pie czasu (rz du nanosekund), zarejestrowaªy przelot cz stki). Do pomiaru pr dko±ci mionów u»ywano linii opó¹niaj cej, konwertera time to amplitude, konwertera DAC Tukan-8k- USB i komputera z zainstalowanym programem Analizator Tukan 8k. Schemat u»ywanego ukªadu przedstawiony jest na rysunku 1. Wi cej informacji na temat przebiegu do±wiadczenia mo»na szuka w [2]. Rysunek 1: Schemat ukªadu u»ywanego do pomiaru pr dko±ci mezonów. det oznacza detektor, Dyskr. dyskryminator, L.op. linia opó¹niaj ca. Rysunek zaczerpni ty z [2]. 2.1 Pomiar rozkªadu promieniowania Pomiar wykonywano dla detektorów ustawionych w zakresie k tów od Θ = 0 do Θ = 180, z krokiem co Θ = 10, gdzie Θ oznacza k t mi dzy kierunkiem ustawienia detektorów, a kierunkiem wertykalnym. Uzyskane wyniki zamieszczono w tabeli 1. 2

3 Θ ( ) liczba zlicze«n Tabela 1: Liczba zarejestrowanych sygnaªów mog cych wskazywa,»e przez detektor przeleciaª mion dla ró»nych k tów Θ, gdzie Θ oznacza k t mi dzy kierunkiem ustawienia detektorów, a kierunkiem wertykalnym. Rejestracja sygnaªów trwaªa 300 s lub 1000 s je±li przy liczbie staª znak. 3

4 A B Rodzaje promieniowania Wyró»nia si promieniowanie: α s to jony helu. Powstaje w wyniku rozpadów promieniotwórczych ci»kich pierwiastków. Promieniowanie α jest maªo przenikliwe strumie«cz stek jest znacz co osªabiany ju» przez typow kartk papieru. Dla czªowieka jest szkodliwe w momencie, gdy ten, drog pokarmow lub oddechow, pochªonie materiaª promieniotwórczy. β + i β s to odpowiednio pozytony i elektrony. Promieniowanie β + powstaje w reakcji p n + e + + ν e, przez rozpad promieniotwórczy j der atomowych maj cych nadmiar protonów. Promieniowanie β powstaje w wyniku reakcji n p + e + ν, w wyniku rozpadu promieniotwórczego j der atomowych maj cych nadmiar neutronów. γ jest to promieniowanie elektromagnetyczne. Jest przenikliwe i silnie jonizuj ce. Powstaje w wyniku przemian j drowych lub w wyniku hamowania elektronów w materii. Jednostki u»ywane przy pomiarze promieniowania Bekerel ( ) Bq = 1 s aktywno± ¹ródªa promieniowania, tj. liczba rozpadów promieniotwórczych w jednostce czasu (sekundzie). ( ) Kiur Ci = 1010 s dawna jednostka aktywno±ci ¹ródªa promieniowania. Odpowiada aktywno±ci 1 g radu. Zachodzi 1 (Ci) = 3, (Ci). ( ) C Dawka ekspozycyjna ɛ kg miara zdolno±ci promieniowania do jonizacji powietrza. Okre±la sum ªadunków elektrycznych jonów jednego znaku wytworzonych w kilogramie powietrza. Rentgen ( ) R = 2, C kg dawna jednostka dawki ekspozycyjnej. ( ) Grej D Gy = J kg ±rednia dawka pochªoni ta energia promieniowania w J pochªoni ta przez kilogram danej substancji. Rad ( rad = ) 100 erg g dawna jednostka ±redniej dawki pochªoni tej, nale» ca do ukªadu CGS. Energia byªa wyra»ana w ergach (1 erg = 10 7 J), a masa w gramach. Dawka równowa»na H (Sv) poniewa» efekt dziaªania promieniowania na organizm zale»y od typu promieniowania i jego nat»enia, wprowadza si dawk równowa»n. Mierzy si j w siwertach (Sv) i jest równa dawce w grejach Gy pomno»onej przez wag zale»n od typu promieniowania. Dawka skuteczna E (Sv) skutek biologiczny zale»y równie» od tego, jaki fragment ciaªa zostaª nara»ony na promieniowanie. Uwzgl dniaj c to (poprzez zastosowanie ró»nych wag) z dawki równowa»nej H uzyskuje si dawk skuteczn (E). 4

5 miertelna dawka promieniowania LD50 30 (Sv) dawka skuteczna, która powoduje,»e 50% osobników danego gatunku zginie w przeci gu 30 dni. Dla czªowieka LD50 30 = 2,5-3. C Spotykane dawki promieniowania Norma w Polsce okre±laj c maksymaln dawk skuteczn dla specjalisty pracuj cego z ¹ródªami promieniowania wynosi 6 msv rocznie, a dla zwykªej ludno±ci 1 msv rocznie ponad poziom promieniowania ze ¹ródeª naturalnych [4]. Na terenie Polski dawka skuteczna przyjmowana ze ¹ródeª naturalnych wynosi okoªo 2,3 msv na rok [1]. Zabiegi medyczne, loty samolotem, urz dzenia elektryczne s odpowiedzialne za okoªo 0,8 msv rocznie. Na studenckiej pracowni zycznej pracuje si z materiaªem o aktywno±ci co najwy»ej 2000 kbq. Gdyby stano przez rok w odlegªo±ci metra od takiej próbki (przyjmuj,»e wtedy w tak osob traa co najwy»ej 10% emitowanego z próbki promieniowania), zakªadaj c rozpad β o energii 1 MeV, mas czªowieka równ 80 kg oraz fakt,»e ka»dy elektron, który który traa w osob, wyhamowuje w nim oddaj c caª swoj energi kinetyczn, szacuj dawk pochªoni t : D = , , ,0126 (Gy). (4) 80 Dla elektronów oznacza to dawk skuteczn wysoko±ci 12,6 msv, co jest dawk 5,5 razy wi ksz ni» ze ¹ródeª naturalnych i 2 razy wi ksz ni» norma dla pracowników specjalistycznych, dopuszczalna przez polski Rz d [4]. Zwa»ywszy,»e student na pracowni j drowej przebywa okoªo 36 godzin, a nie caªy rok, dawka skuteczna wyniesie dla niego co najwy»ej 0,05 msv. D Sposoby rejestrowania promieniowania Licznik Geigera-Müllera Skªada si z cylindrycznej katody wypeªnionej gazem oraz umieszczonej na osi cylindra metalowej nici, b d cej anod. Mi dzy katod, a anod przyªo»one jest wysokie napi cie. Promieniowanie j drowe powoduje jonizacje gazu w cylindrze. Wysokie napi cie rosp dza jony, które dodatkowo jonizuj gaz. Cz steczki gazu w wyniku jonizacji ulegaj wzbudzeniu, a nast pnie wypromieniowuj wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne. Te z kolei, dzi ki zjawisku fotoelektrycznemu, wybija z katody elektrony, które rozp dzane polem elektrycznym pod»aj do anody. Dotarcie jonów i elektronów do anody jest odczytywane przez licznik. Nat»enie tak powstaªego pr du przekªada si na nat»enie promieniowania j drowego. Liczni scyntylacyjny Gdy cz stki naªadowane przechodz przez materi jonizuj j lub wzbudzaj j dra atomów o±rodka. Podobnie promieniowanie γ, poprzez po±rednie zjawiska jak efekt fotoelektryczny lub zjawisko Comptona mo»e wzbudza j dra o±rodka. Dla niektórych atomów, po wzbudzeniu nast puje rekombinacja, tj. przej±cie do stanu podstawowego. Emitowane jest wtedy promieniowanie γ w zakresie widzialnym lub ultraoletowym. Promieniowanie to mo»na wykrywa, np. fotopowielaczami. Poniewa» cz sto liczba emitowanych w scyntylatorze kwantów γ 5

6 jest proporcjonalna do nat»enia promieniowania j drowego, liczniki te mo»na u»ywa do pomiarów ilo±ciowych promieniowania. Detektor póªprzewodnikowy Dioda skªada si ze zª czonych póªprzewodników typu n i p. Na zª czu pojawia si pewna ró»nica potencjaªów, a w warstwie póªprzewodników przylegaj - cych do zª cza niezerowy ªadunek elektronów lub dziur elektronowych. Promieniowanie j drowe lub naªadowana cz stka mo»e zjonizowa atomy póªprzewodnika w okolicach zª cza. Powstaªe elektrony wygeneruj impuls, który mo»na odczyta. Literatura [1] Materiaªy II pracowni zycznej dotycz ce do±wiadczenia e1, wersja na rok 2008/2009 [2] Materiaªy II pracowni zycznej dotycz ce do±wiadczenia K2, wersja na rok 2008/2009 [3] Witold Mizerski, Tablice Fizyczne, wydanie IV zaktualizowane, Warszawa, wyd. Adamantan, 2004, ISBN: [4] Dz.U , Dz.U , dost p 12 marca 2009 r. 6