korelacje kierunkowe - Uniwersytet Jagielloński

II Pracownia Fizyczna, γ3
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
γ3 - KORELACJE KIERUNKOWE
BADANIE KORELACJI KIERUNKOWYCH DLA KASKADY
PROMIENIOWANIA GAMMA EMITOWANEGO W ROZPADZIE
60
CO ORAZ DLA KWANTÓW PROMIENIOWANIA
ANIHILACYJNEGO POZYTONÓW Z ROZPADU
22
NA
I. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie anizotropii oraz funkcji korelacji kaskadowego promieniowania
gamma izotopu 60Ni (powstającego w rozpadzie β– jąder 60Co). W celu poprawnego ustawienia
zależności czasowych w stosowanym do pomiaru koincydencji kwantów gamma z kaskady
układzie elektronicznym używa się kwantów gamma, pochodzących z anihilacji pozytonów,
powstających w rozpadzie izotopu 22Na. Wyniki pomiarów korelacji należy porównać z
teoretycznymi wartościami funkcji korelacji, wyznaczonymi dla przejść kwadrupolowych
pomiędzy stanami jądrowymi o spinach 4 › 2 › 0. Pomiary korelacji kątowych promieniowania
gamma wysyłanego w kaskadzie są ważnym źródłem informacji o multipolowości tego
promieniowania i o spinach stanów jądrowych występujących w kaskadzie.
II. Aparatura używana podczas ćwiczenia
Fotony promieniowania gamma emitowane ze źródła 60Co lub 22Na rejestrowane są przy pomocy
dwóch detektorów scyntylacyjnych z kryształami NaJ(Tl) (oznaczone S na Rys. 1), wyposażonych
w fotopowielacze (PM) i odpowiednie dzielniki napięcia/przedwzmacniacze (P). Fotopowielacze
zasilane są wysokim napięciem z odpowiedniego zasilacza (HV). Koincydencje pomiędzy tymi
detektorami zliczane są przy pomocy aparatury pomiarowej, składającej się ze wzmacniaczy A
(Active Filter Amplifier 1101), analizatorów jednokanałowych SCA (Single Channel Analyzer
1201), układu koincydencyjnego UC (Universal Coincidence 1402) oraz przelicznika C (Scaler
1403). Do pomiaru koincydencji przypadkowych wykorzystuje się możliwość regulacji opóźnienia
sygnału wyjściowego układu SCA.
1
II Pracownia Fizyczna, γ3
S
PM P
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
A
SCA
S
P
M
P
H V
UC
A
C
SCA
Rys. 1: Schemat elektroniki do pomiaru korelacji kierunkowych.
W celu dokonania kalibracji energetycznej toru spektroskopowego (PM-P-A) każdego z
liczników oraz precyzyjnego ustawienia zakresu widma (wybieranego na SCA) używanego jako
składowy element koincydencji, wykorzystuje się układ zestawiony według schematu z Rys. 2.
Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza A jest rozdzielany (pasywnie, trójnikiem) na dwa tory. W torze
logicznym jest on poddany analizie w SCA (wybór okna), kształtowany (regulacja szerokości i
ewentualnie opóźnienia) w układzie LSD (Logic Shaper and Delay 1401). Sygnał ten, niosący
informację o wystąpieniu impulsu o amplitudzie z żądanego zakresu, podawany jest na wejście
bramkujące bramki liniowej LG (Linear Gate 1105). Na jej wejście sygnałowe (podlegające
bramkowaniu) podawany jest sygnał z drugiego toru, którego skorelowanie czasowe z impulsem
bramki realizowane jest poprzez wzmacniacz opóźniający DA (Delay Amplifier 1103A). Sygnały
wyjściowe LG podawane są na przetwornik analogowo cyfrowy ADC (1024 Channel Pulse
Analog-to-Digital Converter 712), odczytywany przez program HETMAN, budujący i obrazujący
widma zbierane w zewnętrznym buforze BF, umiejscowionym (podobnie jak ADC) w osobnej
kasecie CAMAC. Układ zestawiony z LSD, DA, LG i ADC należy używać dla obu liczników
(odpowiednie pary A-SCA), zamieniając tylko sygnały wejściowe do LSD i DA. Oczywiście przy
całkowitym otwarciu progów SCA rejestrować można pełne widmo impulsów z każdego
używanego źródła.
2
II Pracownia Fizyczna, γ3
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
H V
S
BF
SCA
P
M
P
LSD
GATE
IN
A
LG
ADC
DA
Rys. 2: Schemat elektroniki do ustawiania okien SCA i kalibracji.
III. Przebieg ćwiczenia
1. Umieścić źródło 60Co na podstawce dokładnie w płaszczyźnie liczników oraz ustalić równe
odległości między licznikami a źródłem (około 5-7 cm).
2. Podać wysokie napięcie na detektory scyntylacyjne (około +900 V) tak, aby amplituda
impulsów z detektorów scyntylacyjnych nie przekraczała -0.5 V.
3. Dobrać wstępnie tak wzmocnienia we wzmacniaczach, aby wysokości impulsów w obu torach
były jednakowe i wynosiły około 9 V.
4. Zestawić układ do pomiaru widm i ustawiania okien analizatorów jednokanałowych (według
schematu z Rys. 2). Przeprowadzić dokładne ustawienie wzmocnienia wzmacniaczy w obu
torach spektroskopowych, zbierając widma energetyczne przy pomocy analizatora HETMAN
(całkowicie otwarte okna SCA). Zbierane widmo dla 60Co powinno pokrywać pełen zakres
skali 1024 kanałów. Najwyższy pik tego widma powinien być całkowicie widoczny (bez
obcięcia górnej części). Wzmocnienia w obu torach powinny być możliwie jednakowe. Po
ustaleniu wzmocnień zapisać położenia pików i parametry ustawienia wzmacniaczy.
5. Dla obu torów spektroskopowych zebrać widma źródeł 60Co, 22Na oraz 137Cs. Należy zebrać
statystykę wystarczającą na dobre określenie pozycji pików pełnego pochłaniania w każdym
widmie.
6. Dla źródła 22Na wybrać w obu torach linię odpowiadającą pełnemu pochłanianiu kwantów
anihilacyjnych (linia 0.511 MeV). W tym celu w zebranym i wyświetlonym przez analizator
HETMAN widmie zaznaczyć (markery) interesujące granice widma i tak długo zmieniać
poziomy dyskryminacji na SCA, aż w widmie pozostanie tylko wybrany fragment. Zapisać
ustawienia SCA i zebrać widmo wybranego zakresu. W analizie wyrazić zadane granice w
jednostkach energii, przeprowadzając kalibrację energetyczną osi kanałów ADC za pomocą
danych z punktu 5.
7. Zestawić układ do pomiaru korelacji (zliczania koincydencji) według schematu z Rys. 1.
3
II Pracownia Fizyczna, γ3
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
8. Wycentrować źródło względem licznika ruchomego (liczba zliczeń w liczniku ruchomym przy
jego położeniu względem nieruchomego pod kątami 90o, 180o i 270o powinna być – w
granicach błędu statystycznego – taka sama).
9. Kilkukrotnie zmierzyć i zapisać liczbę zliczeń w każdym z liczników w czasie zapewniającym
mały błąd statystyczny.
10. Wykonać kilkukrotne pomiary koincydencji dla detektora ruchomego ustawianego pod kątami
90o i 180o. Opóźniając sygnał w jednym z torów o czas istotnie większy niż wybrany czas
rozdzielczy układu koincydencyjnego, wykonać pomiary koincydencji przypadkowych. Czas
trwania pojedynczego pomiaru koincydencji dobrać tak, aby błąd statystyczny liczby
koincydencji nie przekraczał kilku procent. W opracowaniu należy porównać zmierzoną
liczbę koincydencji przypadkowych z obliczoną na podstawie znajomości liczb zliczeń w
każdym detektorze z osobna oraz wartości czasu rozdzielczego UC. Uwzględniając
koincydencje przypadkowe, należy wyliczyć i przedyskutować wartość anizotropii dla
badanego promieniowania anihilacyjnego.
11. Wymienić źródło 22Na na 60Co i powtórzyć procedurę z punktu 6 w celu wybrania
odpowiedniego zakresu widma w obu torach (piki odpowiadające maksimom pełnego
pochłaniania dla linii 1.17 MeV i 1.33 MeV promieniowania kaskadowego 60Ni). Zapisać
położenia okien SCA, odpowiednie widma i w opracowaniu wyrazić wybrany zakres w
jednostkach energii. Pytanie: czy lepiej jest wybrać w obu torach zakres odpowiadający obu
pikom, czy też w każdym z torów wybrać zakresy tylko jednego z maksimów ?
12. Powrócić do układu pomiaru koincydencji i powtórzyć procedurę z punktów 9 i 10 dla źródła
60
Co. Otrzymaną wartość anizotropii porównać z przewidywaniami teoretycznymi,
wynikającymi ze struktury spinowej stanów jadra 60Ni i z rodzaju promieniowania kaskady.
13. Zmierzyć funkcję korelacji, rejestrując liczbę koincydencji dla kilku kątów ustawienia
detektora ruchomego z zakresu 90o÷180o. Czas pomiaru dobrać tak, aby błąd statystyczny
pomiaru koincydencji pod danym kątem nie przekraczał kilku procent (uwzględniając wpływ
koincydencji przypadkowych !). Otrzymane wyniki porównać ze spodziewanym na gruncie
teoretycznym rozkładem funkcji korelacji.
UWAGA: W zależności od zainteresowań i ograniczeń czasowych, asystent może modyfikować
program ćwiczenia. Możliwe jest ograniczenie programu do zakresu, obejmującego tylko punkty do
pomiaru anizotropii promieniowania kaskadowego (bez długotrwałych pomiarów koincydencji z
punktu 13). Możliwe jest także zastąpienie pomiarów z punktów 11÷13 pomiarami rozkładu
kątowego promieniowania anihilacyjnego pozytonów. W tym celu po zakończeniu punktu 10, bez
zmiany źródła, należy wykonać pomiary koincydencji dla kilku do kilkunastu ustawień kąta
detektora ruchomego, w szczególności zmniejszając krok zmian kąta w pobliżu 180o. Po
uwzględnieniu koincydencji przypadkowych, kształt rozkładu kątowego ilości koincydencji należy
zinterpretować w oparciu o znaną naturę promieniowania anihilacyjnego oraz znajomość
skończonych kątów bryłowych obu detektorów (do zmierzenia w trakcie wykonywania ćwiczenia).
IV. Literatura
1. A. Strzałkowski, „Wstęp do fizyki jądra atomowego”, PWN 1978.
4
II Pracownia Fizyczna, γ3
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
2. J.B. England, „Metody doświadczalne fizyki jądrowej”, PWN 1980.
3. W.R. Leo, „Techniques for nuclear and particle physics experiments”, Sprinter, BerlinHeidelberg 1987.
4. Z. Wróbel, A. Budziak, H. Hrynkiewicz, L. Jarczyk, ,,Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki jądrowej
w pracowni studenckiej Instytutu Fizyki UJ”, Skrypty Uczelniane UJ Nr. 315, Kraków 1979
(częściowo dołączone do instrukcji).
5