Ćwiczenie nr 5 : Badanie licznika proporcjonalnego neutronów termicznych Oskar Gawlik, Jacek Grela 16 lutego 29 1 Teoria 1.1 Licznik proporcjonalny Jest to jeden z liczników gazowych jonizacyjnych, występujący dla pewnego zakresu napięcia przyłożonego między anodą a katodą. Promieniowanie powoduje jonizację gazu wewnątrz objętości czynnej (tzw. jonizacja pierwotna). Z powodu przyłożonego napięcia(relatywnie dużego), zjonizowane cząsteczki przyśpieszają aż do momentu, kiedy osiągną energię potrzebną do zjonizowania kolejnych cząsteczek gazu (tzw. jonizacja wtórna). Rozpoczyna się lawinowa reakcja Townsenda. Jeśli są one niezależne współczynnik wzmocnienia gazowego nie zależy od liczby jonizacji pierwotnej a jest jedynie funkcją napięcia U. Stąd bierze się nazwa licznika proporcjonalnego. W tym liczniku napięcie obserwowane jest określone wedle wzoru: U = f(t) k E M e W C d (1) U sygnał uzyskiwany, f(t) zależny od stałej czasowej t współczynnik formowania impulsu, k wsp. wzmocnienia wzmacniacza, M wzmocnienie gazowe, C d pojemność elektryczna licznika, e ładunek elementarny, E energia cząstki jonizującej (zliczanej), W średnia wartość energii potrzebnej do wytworzenia jednej pary jonów. Ładunek zbierany na elektrodach wyraża się wzorem: Gdzie a to współczynnik proporcjonalności zaś reszta oznaczeń pozostaje w mocy. Wzmocnienie gazowe to współczynnik określony definicyjnie jako: N całkowita liczba nośników ładunku zbieranych na elektrodach, N liczba par nośników wytworzonych w procesie jonizacji pierwotnej. Q = a M E (2) M = N N (3) 1.2 Detekcja neutronów za pomocą licznika proporcjonalnego Podstawowy licznik wykrywający neutrony termiczne to opisany powyżej licznik proporcjonalny wypełniony trójfluorkiem boru BF 3 wzbogaconym o izotop 1 B który wskazuje duży przekrój czynny na absorpcję neutronów termicznych. Reakcja w takim liczniku wygląda następująco: 1 B + n 7 3Li + 4 2He + 2.31 MeV (4) 7 3Li 7 3Li + γ +.48 MeV (5) Gdzie gwiazdka oznacza jądro wzbudzone. W równaniu (4) ukazano tylko większościowy sposób reagowania (94% przypadków). Widać jednak, że w wyniku reakcji powstają cząstki α oraz γ (wzór (5)). Doprowadzają one do jonizacji atomów gazu licznika, doprowadzając pośrednio do detekcji neutronów. W liczniku pojawia się także pik ucieczki przesunięty o około.48 MeV. 1
1.3 Plateau licznika, widma różniczkowe i całkowe Plateau licznika to miejsce w charakterystyce licznika gdzie nachylenie wykresu jest relatywnie małe. Przyczyną nachylenia plateau są impulsy fałszywe. Wyznacza się go w procentach na 1 V: J B, J A zliczenia na brzegach zidentyfikowanego obszaru plateau, U B, U A napięcia na brzegach tego samego obszaru. p = J B J A J A 1 U B U A (6) Widmo różniczkowe to wykres liczby cząstek o energii z przedziału (E, E+dE) (napięcie U,U+dU). Widmo całkowe to wykres liczby cząstek o energii przekraczającej E (napięcie U). 2 Doświadczenie 2.1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem licznika proporcjonalnego, narysowanie wykresu wzmocnienia wewnętrznego licznika w funkcji napięcia zasilania, wyznaczenia widma różniczkowego, całkowego oraz obliczenie plateau licznika. 2.2 Przebieg ćwiczenia Źródło neutronów zostało umieszczone w pojemniku parafinowym, aby spowolnić neutrony, do prędkości osiąganych przez neutrony termiczne. Następnie, zmierzyliśmy wzmocnienie wewnętrzne w funkcji napięcia, oraz charakterystykę licznika aby obliczyć plateau licznika. Kolejną rzeczą, jaką zrobiliśmy to zebranie widma różniczkowego oraz całkowego (odpowiednie tryby działania analizatora). 2.3 Wzmocnienie jako funkcji napięcia W Tab.1 poniżej zestawiono wyniki pomiaru wzmocnienia zewnętrznego: Z zakres badanego wzmocnienia, m mnożnik wzmacniający, W wzm wzmocnienie. Wzmocnienie wewnętrzne wyliczono według wzoru: Gdzie oznaczenia powyższe pozostają w mocy. Tab.1 Wyniki pomiarów wzmocnienia. Z m W wzm [-] 166 4 4 16 4.6 42.4 154 4 1.7 46.8 148 4 2.7 5.8 142 4 4 56 136 4 5.4 61.6 128 4 7.2 68.8 12 4 9.2 76.8 16 8 3.6 18.8 9 8 5.2 121.6 W wzm = Z (1 +.1 m) (7) 2
Wykreślamy zależności wewnętrznego wzmocnienia gazowego od napięcia pracy licznika korzystając ze wzoru : W wew (U) wzmocnienie wewnętrzne, W wzm mx maksymalne wzmocnienie wzmacniacza, W wzm (U) wzmocnienie wzmacniacza (mierzone). W wew (U) = W wzm mx W wzm (U) (8) Jako wzmocnienie maksymalne przyjmujemy największy pomiar W wzm mx = 121.6 (patrz Tab.1 ). Na Wyk.1 przedstawiono wynik zastosowania wzoru (8): W wew [-] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 9 1 11 12 13 14 15 16 Wyk.1 Wykres W wew (U), w jednostkach bezwymiarowych. 2.4 Charakterystyka licznika i plateau W Tab.2 zestawiono wyniki drugiego pomiaru - charakterystyki licznika: Tab.2 Wyniki pomiarów charakterystyki licznika. n [-] n [-] 128 35 152 577 13 118 154 574 132 27 156 5911 134 27 158 6193 136 343 16 6271 138 846 162 6271 14 2215 164 6439 142 3577 166 6313 144 4318 168 6435 146 4858 17 6377 148 513 15 5398 Aby wyznaczyć charakterystykę licznika BF 3 w funkcji napięcia zasilania, ustawiliśmy detektor na liczenie widma całkowego i manipulowaliśmy napięciem zasilającym. Otrzymaliśmy następujący wykres: 3
n [-] 7 6 5 4 3 2 1 13 135 14 145 15 155 16 165 17 Wyk.2 Charakterystyka licznika z zaznaczonym plateau. Na wykresie zaznaczono czerwoną linią plateau (strefę plateau stanowi druga kolumna w Tab.2 ) i wyliczono według wzoru (6) dokładnie, że wynosi ono: 2.5 Widmo różniczkowe Wynik pomiaru widma różniczkowego: p = 6.52 [ % ] 1V Tab.3 Wyniki pomiaru widma różniczkowego. n [-] n [-].4 18 2.4 74.6 21 2.6 21.8 97 2.8 3 1 99 3 9 1.2 154 3.2 3 1.4 189 3.4 2 1.6 278 3.6 1 1.8 554 3.8 2 2 1935 4 1 2.2 1 W celu wyznaczenia widma różniczkowego wykonano pomiary ilości zliczeń w czasie 1 sekund, których poziom napięcia mieścił się w przedziale szerokości.2 V wokół zadanej wartości centralnej. Wartość tą zmieniano w zakresie od.4 do 4. V z dokładnością.2. Na podstawie pomiarów sporządzono widmo różniczkowe: 4
n [-] 2 18 pik glowny 2.79 MeV 16 14 12 1 8 6 4 pik ucieczki? 2.31 MeV 2.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Wyk.3 Widmo różniczkowe wraz z zaznaczonymi pikami. 2.6 Widmo całkowe Nie zestawiono wyników pomiarów z powodu dużej liczby punktów. W celu wyznaczenia widma całkowego wykonano pomiary ilości zliczeń w czasie 1 sekund dla sygnałów o amplitudzie większej od zadanego poziomu minimalnego. Poziom ten zmieniano o.1 V w zakresie od.1 do 3.9 V. Na podstawie wyników pomiarów narysowano widmo całkowe: n [-] 8 7 6 5 4 3 2 1.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Wyk.4 Widmo całkowe. 5
3 Wnioski 1. Wyznaczyliśmy widmo całkowe i różniczkowe, pik główny został zidentyfikowany i pokrywa się dla obydwu wykresów (w widmie całkowym jest to punkt przegięcia) przy wartości 2 [V]. Niestety, nie udało się znaleźć piku ucieczki. 2. Wyznaczono prawdopodobną wartość plateau licznika p = 6.52, mimo że użyta metoda była bardzo szacunkowa. 3. W eksperymencie wykazano także słuszność założeń działania licznika proporcjonalnego (wzmocnienie zależne liniowo od napięcia). 4. Uzyskano jeden dodatkowy pomiar widma różniczkowego który odrzuciliśmy z powodu złego doboru skoku napięcia (niepewność pomiaru wynosi.2 [V] kiedy wspomniane dane przeprowadzono przy skoku.1 [V]). Nie załączono tabeli z tymi pomiarami. Po wykonaniu wykresu okazuje się (na Wyk.5 oznaczona jako Seria 2), że są na nim elementy dające się poznać jako możliwe piki ucieczki: n [-] 2 18 Seria 1 Seria 2 16 14 12 1 8 pik glowny 2.79 MeV 6 4 pik ucieczki? 2.31 MeV 2.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Wyk.5 Widmo różniczkowe, zestawienie serii. Gdzie Seria 1 to dane wzięte pod uwagę w opracowaniu a Seria 2 to omawiana. 5. Wprowadzony powyżej pomiar nie jest jednak przekonujący. Pik jest mimo wszystko słabo widoczny, może to być równie dobrze przypadkowa fluktuacja. Nie możemy przeprowadzić kalibracji detektora z braku punktów kalibracyjnych. Tak więc, nic więcej ponad niewątpliwe istnienie piku nie możemy stwierdzić. 6