Pobierz - Instytut Fizyki PŁ

Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
Ćwiczenie 502
Badanie widma energetycznego promieniowania γ izotopu 60Co
Przed zapoznaniem się z instrukcją i przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy opanować następujący
materiał teoretyczny:
1. Budowa atomu i jądra atomowego, [1] lub [2]; [3].
2. Reakcje jądrowe, [1] lub [2]; [3].
3. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna, [1] lub [2]; [3].
4. Powstawanie i właściwości promieniowania γ. Widmo promieniowania (całkowe i różniczkowe). [1] lub [3].
5. Sposoby detekcji promieniowania radioaktywnego; zasada działania licznika scyntylacyjnego, [3].
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczanie kształtu widm całkowego i różniczkowego promieniowania γ izotopu
kobaltu 60Co.
Wstęp teoretyczny.
Przez promieniowanie γ rozumie się promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od około 10−12 m do
10 m i energiach znajdujących się od kilku kiloelektronowoltów (keV) aż do wielu megaelektronowoltów (MeV).
Powstające w wyniku rozpadu promieniotwórczego lub reakcji jądrowej nowe jądro jest najczęściej w stanie
wzbudzonym i ulega przejściu do stanu o niższej energii (stanu podstawowego lub niższego wzbudzonego).
Przejście to zachodzi przez emisję z jądra kwantu energii promieniowania elektromagnetycznego, bądź przez
bezpośrednie przekazanie energii wzbudzenia jądra elektronowi jednej z powłok atomu.
Kwanty γ przechodząc przez materię mogą wywoływać następujące zjawiska: fotoelektryczne, Comptona i
tworzenia par.
−15
Zjawisko fotoelektryczne
Kwant γ oddziałuje na cały atom .i przekazuje mu całkowicie swoją energię. Zjawisko to występuje tylko
wtedy, gdy. energia kwantu jest większa od energii jonizacji (wiązania). W wyniku tego z atomu zostaje uwolniony
jeden elektron, atom ulega jonizacji, a wybijający foton zanika. Elektron jest obdarzony energią kinetyczną Ek,
równą różnicy energii kwantu hν i energii jonizacji Ej:
Ek = hν − E j
.
Prawdopodobieństwo wystąpienia zjawiska fotoelektrycznego w atomie wzrasta proporcjonalnie do piątej potęgi
jego liczby atomowej, a więc przeważa w pierwiastkach ciężkich. Należy podkreślić, że zjawisko to występuje tylko
wtedy, gdy foton na swej drodze napotka elektron związany (nie występuje na elektronach swobodnych).
Zjawisko Comptona
Zjawisko to zwane też rozpraszaniem komptonowskim występuje w zakresie większych energii kwantów γ.
Kwanty γ oddziałują na elektrony z dowolnych orbit. Foton przekazuje częściowo swoją energię elektronowi, a
częściowo zamienia się na inny foton o mniejszej energii. Kierunek ruchu tego drugiego fotonu jest inny niż fotonu
pierwotnego, dlatego mówimy, że w zjawisku Comptona fotony ulegają rozproszeniu. W wyniku tych zderzeń
energia kwantu pierwotnego dzieli się między tzw. elektron odrzutu i kwant wtórny o mniejszej energii. Energia
fotonu padającego Ep jest zatem zamieniana na energię kinetyczną elektronu Ek oraz energię fotonu rozproszonego
Er
E p = Ek + Er
.
Różnica energii fotonów, a więc energia kinetyczna elektronu, zależy od kąta rozproszenia φ. Energię fotonu można
wyrazić za pomocą częstotliwości lub długości fali fotonu:
E = hν =
hc
λ
gdzie h - stała Plancka, c - prędkość fali elektromagnetycznej w próżni, λ - długość fali promieniowania. Zmianę
długości fali fotonów w zjawisku Comptona opisuje wzór:
h
λ 2 − λ1 =
(1− cosϕ)
m0c
gdzie m0 – masa spoczynkowa elektronu.
1
Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
Zjawisko tworzenia par
W zjawisku tym uczestniczą fotony przelatujące w pobliżu jądra atomowego. Polega ono na przetworzeniu
się fotonu w parę negaton - pozyton. Cała energia fotonu Ef zamienia się na masę obu cząstek oraz na ich energię
kinetyczną Ek:
E f = 2 m0 c 2 + 2 E k
Masa spoczynkowa elektronu m0 odpowiada energii 511 keV, więc zjawisko to może zachodzić wtedy, gdy energia
fotonów jest większa od 1,022 MeV. W miarę wzrostu energii fotonów udział tego zjawiska staje się coraz większy.
Metoda pomiaru.
Pomiary polegają na rejestracji impulsów pochodzących z detektora scyntylacyjnego w ciągu odpowiednio
dobranego okresu czasu, w zależności od napięcia progowego Up. Do otrzymania widma różniczkowego stosujemy
metodę stałej bezwzględnej szerokości okna.
Jeżeli widmo promieniowania γ zawiera kilka prążków o różnej intensywności, to spektrometr scyntylacyjny
zarejestruje w dostrzegalny sposób tylko prążki, których intensywność jest nie mniejsza niż kilka procent
intensywności prążka o natężeniu maksymalnym. Ponieważ z kolei intensywność prążka jest wprost proporcjonalna
do prawdopodobieństwa występowania w schemacie rozpadu kwantów γ o danej energii, to kwanty o
prawdopodobieństwie występowania poniżej kilku procent nie będą rejestrowane przez spektrometr w postaci
wyraźnego prążka.
Badając promieniowanie γ za pomocą detektora scyntylacyjnego dokonujemy tego pośrednio rejestrując
skutki jego oddziaływania z materią. Otrzymujemy zatem widmo nie badanego promieniowania lecz widmo
elektronów odrzutu, powstających podczas oddziaływania z materią. Wyróżnia się dwa typy widm: widmo całkowe
i widmo różniczkowe.
Widmo całkowe jest to rozkład liczby elektronów odrzutu o energii przewyższającej energię progową Ep w
zależności od wartości tej energii. Ponieważ napięcia impulsów z fotopowielacza zliczanych przez licznik są
proporcjonalne do energii wywołujących je elektronów odrzutu, widmo całkowe możemy otrzymać zliczając
impulsy o napięciu większym od napięcia progowego Up.
Widmo różniczkowe jest to liczby elektronów odrzutu o energii należącej do przedziału (Ep, Ep+∆Ep)
wykreślony w zależności od energii progowej Ep. ∆Ep jest szerokością przedziału energii. Wykorzystując
proporcjonalność między energią elektronów i napięciem impulsów oraz pracę „okienkową” analizatora widmo
różniczkowe możemy otrzymać rejestrując liczby zliczeń w kolejnych przedziałach napięć.
Źródłem promieniowania używanym w doświadczeniu jest izotop kobaltu 60Co. Jądra 60Co rozpadają się
przez emisję β−. W wyniku rozpadu powstają jądra 60Ni w stanie wzbudzonym o energii 2,505 MeV. Jądra te
przechodzą w stan podstawowy w kaskadzie emitując kwanty γ o energiach 1,17 i 1,33 MeV. Widmo izotopu 60Co
ma więc dwa prążki podstawowe odpowiadające promieniowaniu γ o energiach 1,17 i 1,33 MeV.
Układ pomiarowy
Układ pomiarowy składa się z aparatury „Standard 70” opisanej w dodatku do ćwiczenia, i źródła
promieniowania zawierającego izotop 60Co.
Przebieg ćwiczenia
Wyznaczanie widma całkowego
W tej części ćwiczenia analizator pracuje jako dyskryminator progowy. Sygnał na przeliczniku musi być
podawany z wyjścia dyskryminatorowego (discrout), a rodzaj pracy włączony górnym klawiszem (level).
1. Po nagrzaniu aparatury (ok. 15 min) ustawić napięcie pracy fotopowielacza rzędu 1200 V (przekroczenie 1500 V
niszczy sondę). Próg dyskryminatora ustawić tak aby nie były zliczane szumy (np. 0,2 V)
2. Wstawić źródło pod sondę i dokonać próbnego pomiaru w czasie 10 s. Wartość odczytu powinna być rzędu 700.
Można ją zwiększyć przez zmianę napięcia fotopowielacza lub większe wzmocnienie.
3. Dokonywać trzykrotnego pomiaru liczby zliczeń przy tej samej wartości napięcia progowego. Napięcie progowe
zwiększać ze stałym krokiem np. 0,1 lub 0,05 V.
4. Wyniki zapisywać w tabeli.
5. Po zakończeniu źródło wstawić do domku.
Wyznaczanie widma różniczkowego
Wykorzystujemy teraz tzw. pracę okienkową analizatora. Przełączamy przewód łączący przelicznik z
analizatorem na wyjście analizatora (analout). Wygodnie jest włączyć dolny klawisz rodzaju pracy (channel)
pozwalający ustawić prawym potencjometrem szerokość przepuszczanego kanału natomiast lewym wartość
napięcia odpowiadająca środkowi okna.
2
Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
1. Po wybraniu rodzaju pracy ustawić odpowiednią szerokość kanału ∆U wybierając wartość z przedziału
(0,1-0,4 V). Najbardziej wskazana wartość to 0,2 V.
2. Lewym potencjometrem ustawić dolny próg okna tak aby nie zliczał szumów (pamiętając, że wskazana wartość
to środek przepuszczanego kanału).
3. Umieścić źródło pod sondą i dokonać, co najmniej trzykrotnego pomiaru dla kolejnych progów napięcia przy
stałej szerokości okna. Pomiary przeprowadzać tak długo, aż wskazania spadną do zera.
4. Jeżeli czas na to pozwoli powtórzyć pomiary (można zmienić szerokość kanału)
5. Po zakończeniu pomiaru źródło schować do domku.
Opracowanie wyników
1. Obliczyć średnie wartości liczby zliczeń i sporządzić wykres widma całkowego jako zależność liczby impulsów
w zadanym czasie od napięcia progowego.
2. Obliczyć średnie wartości liczby zliczeń i sporządzić wykres widma różniczkowego jako zależność liczby
impulsów w zadanym czasie od napięcia progowego.
3. Przeanalizować otrzymane wykresy.
Literatura
[1] V. Acosta, C. L. Cowan, B. J. Graham, „Podstawy fizyki współczesnej”, PWN, Warszawa, 1981.
[2] M. Herman, A. Kalestyński, L. Widomski, “Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie”, PWN,
Warszawa, 1991.
[3] „Encyklopedia fizyki współczesnej”, PWN, Warszawa, 1983.
Opis zestawu „Standard 70”
Wyposażenie ćwiczenia stanowi zestaw aparatury pomiarowej systemu „Standard 70”, w skład, którego wchodzą
następujące elementy:
- Zasilacz niskiego napięcia ZNN 44
- Zasilacz wysokiego napięcia ZWN 21
- Wzmacniacz liniowy WL 721
- Analizator A 21
- Przelicznik P 21
- Sonda uniwersalna SSU 70
Zestaw „Standard 70” jest aparatura kosztowną. Zaleca się ostrożność przy obsłudze. Zabrania się
samowolnego przełączania kabli połączeniowych i innych manipulacji nieuzgodnionych z osobą prowadzącą
zajęcia.
Opis elementów zestawu
a) Zasilacz niskiego napięcia ZNN 44 pobiera energię z sieci 220 V i służy do zasilania pozostałych elementów
układu. Jednocześnie stanowi obudowę dla czterech paneli (tzn. wkładek szufladkowych) systemu
„Standard 70”. Pod prawym uchwytem, w bocznej ściance, jest umieszczony wyłącznik sieciowy (czerwony
przycisk) wraz z lampką sygnalizacyjną, uruchamiający cały układ pomiarowy. Po upływie 15 minut od chwili
włączenia zasilania, układ jest gotów do pracy.
b) Zasilacz wysokiego napięcia ZWN 21 zasila sondę SSU 70 wysokim napięciem o polaryzacji dodatniej i
wartości regulowanej w trzech zakresach: 0 – 1000 V, 0 – 2000 V i 500 – 2500 V. Dopuszczalne napięcie
zasilające sondę wynosi 1500 V. Odpowiedni zakres pracy wybiera się jednym z trzech przycisków, a żądaną
wartość napięcia należy ustawić pokrętłem obrotowego potencjometru, posługując się jego skalą i uwzględniając
nastawiony zakres. Dźwignia przy skali służy do unieruchomienia pokrętła. Zasilacz można włączyć tylko przy
ustawieniu zerowej wartości napięcia wyjściowego. Włączenie sygnalizuje lampka kontrolna nad gniazdem.
c) Panel wzmacniacza liniowego WL 721 wzmacnia proporcjonalnie (liniowo) wartość napięciową impulsów
nadchodzących z sondy oraz ze znajdującego się w niej przedwzmacniacza. Zarówno przesyłanie sygnału z
sondy do wzmacniacza jak i zasilanie przedwzmacniacza następuje tym samym kablem poprzez gniazdo
wejściowe. Panel posiada przełączniki klawiszowe zmiany stałej czasowej kształtowania impulsów wyjściowych
(od 25 µs do 4 µs) oraz skokowej regulacji wzmocnienia (od 10 do 640 razy). Potencjometr służy do płynnego
regulowania wzmocnienia (od 1 do 3 razy). Przełącznik dźwigienkowy wybiera biegunowość impulsów
wejściowych, na jakie ma reagować wzmacniacz. Impulsy wejściowe są dodatnie, lub po przełączeniu wewnątrz
obudowy – bipolarne.
d) Panel analizatora A 21 posiada dwa wyjścia i zależnie od tego, które z nich się wykorzysta, pracuje jako
dyskryminator progowy lub analizator. Na wyjściu dyskryminatorowym impuls pojawia się zawsze wtedy, gdy
3
Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
wartość napięciowa impulsu wejściowego przekracza poziom dolnego progu, ustawionego potencjometrem. Na
wyjściu analizatorowym impuls pojawia się, gdy wartość ta zawiera się pomiędzy dolnym i górnym progiem a
impulsy z poza tego przedziału wartości są eliminowane. Wyboru między tymi dwoma rodzajami pracy
dokonuje się przełącznikiem klawiszowym.
Wciśnięcie górnego klawisza daje możliwość niezależnego ustawienia progu dolnego (potencjometrem
znajdującym się z lewej strony) i górnego (potencjometrem znajdującym się z prawej strony). Różnica
poziomów progów daje szerokość tzw. okna analizatora. Należy pamiętać, aby wartość górnego progu była
wyższa od wartości progu dolnego. Jeden obrót pokrętła oznacza przesunięcie progu o 1 V.
Dolny klawisz włącza pracę „okienkową” analizatora. Wówczas lewym pokrętłem ustawia się środek
okna, a prawym jego szerokość, poprzez rozsuwanie obu progów działania. Ten rodzaj pracy bywa
wygodniejszy przy niektórych pomiarach.
Małe gniazda po prawej stronie służą do zadawania wartości dolnego progu napięciem z zewnątrz, po
odpowiednim przełączeniu wewnątrz obudowy. Impulsy wyjściowe mają już standaryzowane i jednakowe
parametry czasowo-napięciowe.
e) Panel przelicznika P 21 zawiera 2 układy: licznika impulsów wejściowych (górny wyświetlacz) i
elektronicznego zegara kwarcowego (dolny wyświetlacz). Ponad gniazdem wejściowym są czarne przyciski
uruchamiania i zatrzymywania obu układów oraz wyboru jednostki czasu zegara: sekund lub minut (wybór ten
potwierdza jedna z lampek obok przycisku). Czerwony klawisz służy do kasowania wskazań. W dolnym rzędzie
znajduje się niebieski klawisz „T”, którego wciśnięciu powoduje, że po czasie pracy nastawionym jednym z
czarnych przycisków (niebieskie cyfry) układy się zatrzymują. Po wciśnięciu czerwonego klawisza „N” układy
się zatrzymują po zliczeniu liczby impulsów wybranej jednym z tychże czarnych klawiszy (czerwone cyfry).
Pozwala to bądź na zliczanie impulsów w zadanym czasie, bądź na mierzeniu czasu wystąpienia zadanej liczby
impulsów. Zwolnienie obu przycisków „N” i „T” (zapali się lampka ∞) daje możliwość dowolnego zliczania
przy ręcznym wyłączaniu licznika. Wciśnięcie obu klawiszy podaje na oba wyświetlacze impulsy zegara dla
kontroli działania.
Wewnątrz obudowy są ponadto wyłączniki pracy samopowtarzalnej i pamięci. Praca samopowtarzalna
polega na tym, ze przy zadaniu „N” lub „T” od chwili załączenia do chwili ręcznego wyłączenia układ pracuje,
samoczynnie powtarzając pomiar. Włączenie pamięci powoduje, iż do momentu zakończenia pomiaru na
wyświetlaczach jest zachowany poprzedni odczyt. Istnieje możliwość przyłączenia drukarki do przelicznika dla
rejestracji odczytów, zmieniaczy próbek i innych urządzeń usprawniających prace pomiarowe.
f) Sonda uniwersalna SSU 70 (licznik scyntylacyjny) sygnalizuje obecność promieniowania α, β lub γ generując
impulsy elektryczne. Wartość napięciowa tych impulsów jest zależna od energii danej cząstki promieniowania,
co jest wykorzystywane do analizy promieniowania. Sonda zawiera 3 elementy funkcjonalne: przedwzmacniacz
impulsów zasilany niskim napięciem ze wzmacniacza WL 21, fotopowielacz wraz z dzielnikiem napięcia
zasilany z ZWN 21 oraz scyntylator. Typ użytego scyntylatora jest dobrany do rodzaju promieniowania. Całość
jest zamknięta w metalowej obudowie i ustawiona na statywie. Fotopowielacz pracuje przy napięciu od 600V do
1500V. UWAGA! – przekroczenie napięcia 1500V może spowodować uszkodzenie sondy!
Część obudowy zawierająca fotopowielacz i scyntylator jest światłoszczelna. Przypadkowe
oświetlenie fotokatody przy włączonym napięciu powoduje natychmiastowe zniszczenie
fotopowielacza, zatem zabronione jest samowolne rozkręcanie obudowy. Sonda jest wrażliwa
również na uszkodzenia mechaniczne (wstrząsy, drgania, uderzenia) oraz na wilgoć.
4