Ćw. PP1

Ćwiczenie PP1
Jacek Grela, Łukasz Marciniak
15 listopada 2009
1
Wstęp teoretyczny
1.1
Zakresy działania i plateau licznika
Rys.1 Charakterystyka I(U ).
Na Rys.1 wyróżniono trzy zakresy działania detektora:
ˆ zakres rekombinacji (0öU 1) - promieniowanie jonizuje gaz wewnątrz licznika jednakże w wyniku zbyt niskiego
napięcia przyłożonego nośniki nie zostają zebrane na elektrodach ponieważ wcześniej rekombinują
ˆ zakres jonizacji (U 1öU 2) - napięcie jest na tyle wysokie, żeby wszystkie jony i elektrony wytworzone przez
promieniowanie dotarły do elektrod
ˆ zakres proporcjonalności (U 2ö) - dalszy wzrost napięcia powoduje powstanie jonizacji wtórnej w komorze
licznika
Płaskie części na Rys.1 mają wspólną nazwę plateau licznika. Dla detektora gazowego mamy dwa zakresy plateau
- zakres jonizacji (badane w tym ćwiczeniu) i zakres Geigera-Mullera.
Dla zakresu jonizacji możemy określić nachylenie tzw. plateau licznika zdefiniowanego jako:
η=
104 (I2 − I1)
I1+I2
2 (U 2 − U 1)
1
[%/100V ]
(1)
1.2
Zjawiska zachodzące w liczniku
W liczniku występuje szereg zjawisk wpływających na jego pracę. We wstępie omówiono pokrótce zjawiska kluczowe
dla ćwiczenia.
1. Zjawiska rekombinacji są ogólnie niekorzystne w detekcji promieniowania jonizującego. Rekombinacja elektronów występuje, gdy napięcie zasilania komory jest zbyt niskie, co za tym idzie wartość pola elektrycznego
odpowiedzialnego za prędkość dryfu elektronów i jonów dodatnich do odpowiednich elektrod jest zbyt niska.
Zatem prawdopodobieństwo neutralizacji nośników jest wysokie. Wyróżnia się 2 typy rekombinacji:
ˆ elektronowo – jonowa:
e− + A+ − > A + hν (rekombinacja promienista)
e− + XY + − > X − + B + (rekombinacja dysocjacyjna)
ˆ jonowo – jonowa:
A+ + B − − > AB + hν
2. Wychwyt elektronu związany jest z obecnością w komorze pierwiastka wysoce elektroujemnego np. tlenu.
Przyklejanie elektronów o energiach termicznych może być wyjaśnione procesem dwustopniowym:
ˆ e + O2 − > O2−∗ (wzbudzony jon tlenu)
ˆ O2−∗ + O2 − > O2− + O2∗
Procesy tego typu zachodzą w badanych gazach.
2
Tor pomiarowy i przebieg ćwiczenia
Rys.2 Schematyczny tor pomiarowy.
Na Rys.2 przedstawiono schemat pomiaru, uwzględniono tylko jedną butlę z gazem. Użyliśmy licznika przepływowego z mieszanką argonu z dwutlenkiem węgla oraz powietrza (dwa warianty). Za źródło posłużył nam izotop
żelaza 55 F e emitujący, interesujące nas w ćwiczeniu, promieniowanie γ o energii 126 [keV ]1 . Dokonaliśmy pomiaru
natężenia w funkcji napięcia (zakres 0 − 5000 [V ]).
Celem ćwiczenia jest określenie na podstawie wykresów I(U ):
ˆ zakresu rekombinacji
ˆ długości plateau w zakresie jonizacji
ˆ nachylenia plateau
ˆ wzmocnienia w zakresie proporcjonalnym
1 według”
Table of Isotopes decay data” http://ie.lbl.gov/toi/nuclide.asp?iZA=260055
2
3
Doświadczenie
W obydwu przypadkach używaliśmy dwóch różnych zasilaczy odpowiednio dla napięć 0ö40 [V ] oraz 40ö5000 [V ].
Komora z powietrzem
I [nA]
3.1
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
50
100
150
200
U [V]
Wyk.1 Charakterystyka I(U ) dla napięć 0 − 200 [V ].
I [nA]
Na Wyk.1 pokazano wyniki dla powietrza dla początkowego zakresu napięć. Na podstawie wykresu ustalono, że
zakres rekombinacji kończy się na 22[V ]. Widać także, że w początkowym zakresie pomiary są mało dokładne. Jest
to najprawdopodobniej spowodowane niezbyt fortunnie wykonanym pomiarem. W elektrometrze podczas pomiaru
utrzymywaliśmy wskazówkę w pierwszej połowie skali przez co niepewność tej serii była duża.
0.05
0.045
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
1000
2000
3000
4000
5000
U [V]
Wyk.2 Charakterystyka I(U ) dla napięć 0 − 5000 [V ].
Na Wyk.2 widać cały pomiar, widoczna jest wspomniana wcześniej niedokładność. Stwierdzono, że nie został osiągnięty zakres proporcjonalności - prawie cały badany zakres (22 − 5000 [V ]) to zakres jonizacji czyli plateau licznika.
Korzystając ze wzoru (1) (U 1 = 22 [V ], U 2 = 4570 [V ], I1 = 0.0264 [nA], I2 = 0.0392 [nA]) wyznaczamy nachylenie
plateau:
ηp = 0.86 [%/100V ]
Uzyskany wynik jest zadowalający. Niestety, powyższy wynik jest obarczony dużym i ciężkim do wyznaczenia
błędem. Stwierdzono, że obliczenia nachylenia plateau z dopasowania linii prostej tym bardziej nie mają sensu.
3
Komora z Ar + CO2
I [nA]
3.2
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
U [V]
Wyk.3 Charakterystyka I(U ) dla napięć 0 − 5000 [V ].
Na Wyk.3 pokazano wyniki dla argonu z dwutlenkiem węgla dla początkowego zakresu napięć. Na podstawie
wykresu ustalono, że zakres rekombinacji kończy się na 200[V ]. Także w tym przypadku nie został osiągnięty zakres
proporcjonalności - prawie cały badany zakres (200 − 5000 [V ]) to zakres jonizacji czyli plateau licznika. Korzystając
ze wzoru (1) (U 1 = 198 [V ], U 2 = 4970 [V ], I1 = 0.262 [nA], I2 = 0.304 [nA]) wyznaczamy nachylenie plateau:
ηarco2 = 0.31 [%/100V ]
3.3
Końcowe uwagi
Obydwa pomiary przeprowadzono w podobnych warunkach jednakże, co skomentowano wcześniej, pomiary dla
powietrza są obarczone znacznie większą niepewnością. Drugi pomiar był przeprowadzony dokładniej (utrzymywanie
drugiej połówki w elektrometrze), co widać bezpośrednio na Wyk.3. Problem stanowiła także duża bezwładność
elektroskopu, uniemożliwiająca określenie płynącego prądu w sensownym czasie.
W obydwu przypadkach nie udało się zaobserwować zakresu proporcjonalnego detektora.
4