Ćwiczenie LP1 Jacek Grela, Łukasz Marciniak 22 listopada 2009 1 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 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
2.3 Kalibracja detektora Tab.1 Tabela z danymi do kalibracji. Kanał Energia [kev] 305 8.0 466 12.9 255 6.9 347 9.8 818 22.1 317 8.6 345 9.8 210 5.9 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] 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 (0.027 +/- 0.001 )ch + (0.20 +/- 0.22) 200 300 400 500 600 700 800 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. 54-59 ze skryptu B. Dziunikowski, S. Kalita Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych 3
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 283 7.9 7.8 ucieczka K α poprzez Kr K β 345 9.8 9.5 ucieczka K α poprzez Kr K α 459 12.9 12.6 ucieczka K β poprzez Kr K α 822 22.1 22.4 główny K α - 935 25.2 25.4 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. 54-59 ze skryptu B. Dziunikowski, S. Kalita Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych 4
2.6 źródło 55 F e Tab.3 Tabela z danymi dla 55 F e. 210 5.9 5.9 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 http://ie.lbl.gov/toi/ 5
2.7 Ni Tab.4 Tabela z danymi dla Ni. 141? 4.0?? dyskusja dalej 276 7.5 7.7 główny K α - 6
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 173 4.9 4.9 główny K α - 7
2.9 Cu Tab.6 Tabela z danymi dla Cu. 141? 4.0?? dyskusja dalej 305 8.0 8.4 główny K α - 8
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 157 4.5 4.4 główny K α - 9
2.11 Nb Tab.8 Tabela z danymi dla Nb. 135? 3.8?? dyskusja dalej 212? 5.9?? niezidentyfikowany 278? 7.7?? dyskusja dalej 612 16.6 16.7 główny K α - Nie udało nam się zidentyfikować piku w kanale 212 - 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 135 - jego źródło jest inne, co wykażemy dalej. 10
2.12 Co Tab.9 Tabela z danymi dla Co. 141? 4.0?? dyskusja dalej 255 6.9 7.0 główny K α - 11
2.13 T a Tab.10 Tabela z danymi dla T a. 136? 3.9?? dyskusja dalej 290 7.8 8.0 główny L α - 344 9.5 9.5 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
2.14 F e Tab.11 Tabela z danymi dla F e. 139? 4.0?? dyskusja dalej 223 6.4 6.2 główny K α - 13
2.15 Sn Tab.12 Tabela z danymi dla Sn. 141? 4.0?? dyskusja dalej 278? 7.7?? dyskusja dalej 466 12.9 12.8 ucieczka K α poprzez Kr K α 594 16.7 16.2 ucieczka K β poprzez Kr K α 946 25.2 25.7 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
2.16 Ag Tab.13 Tabela z danymi dla Ag. 139? 4.0?? dyskusja dalej 294 7.9 8.1 ucieczka K α poprzez Kr K β 347 9.8 9.6 ucieczka K α poprzez Kr K α 452 12.9 12.4 ucieczka K β poprzez Kr K α 818 22.1 22.2 główny K α - 938 25.2 25.5 główny K β - 15
2.17 Mo Tab.14 Tabela z danymi dla Mo. 168 5.1 4.7 ucieczka K α poprzez Kr K α 260 7.5 7.2 ucieczka K β poprzez Kr K α 646 17.4 17.6 główny K α - 16
2.18 Zn Tab.15 Tabela z danymi dla Zn. 140? 4.0?? dyskusja dalej 317 8.6 8.8 główny K α - 17
2.19 Zr Tab.16 Tabela z danymi dla Zr. 120 3.4 3.4 ucieczka K α poprzez Kr K α 140? 4.0?? dyskusja dalej 178 5.5 5.0 ucieczka K β poprzez Kr K α 277? 7.7?? dyskusja dalej 582 15.7 15.9 główny K α - 18
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. 2.21 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] 1.1 276 1.1 305 1.5 612 1.5 466 1.5 582 1.3 255 1.2 347 1.6 818 1.5 646 0.9 168 1.9 228 1.2 317 1.0 345 1.3 822 0.8 210 0.8 173 0.7 143 Po przeliczeniu jednostek zdolności rozdzielczej wykonano Wyk.2 : R [-] 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 (4.3 +/- 0.5 )1/sqrt(E) - (0.02 +/- 0.02) 0.05 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 1/sqrt(E) [-] Wyk.2 Zależność zdolności rozdzielczej i energii. Tak jak się spodziewano, uzyskano przybliżoną zależność liniową. 19