Ćw. LP2

Ćwiczenie LP2
Jacek Grela, Łukasz Marciniak
25 października 2009
1
Wstęp teoretyczny
1.1
Energetyczna zdolność rozdzielcza
Energetyczna zdolność rozdzielcza to wielkość opisująca dokładność detekcji energii promieniowania. Zdefiniowania
jako:
F W HM
R=
(1)
E0
Gdzie:
F W HM - szerokość piku w jego połowie wysokości,
E0 - 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
Stosunek położenia względnego piku ucieczki i piku głównego do piku głównego
Aby zbadać zależność położenia pików od przyłożonego napięcia pracy badamy wielkość określoną wzorem:
a(V ) =
pg − pu
pg
(2)
Gdzie:
pg - położenie piku głównego,
pu - położenie piku ucieczki.
Spodziewamy się uzyskać stałą zależność w funkcji napięcia. Powinno tak być ponieważ licznik w badanym przez
nas przedziale powinien zachowywać propocjonalność.
1.3
Prawdopodobieństwo absorpcji promieniowania X
Absorpcja własnego promieniowania X w gazie licznika jest niezerowa i prawdopodobieństwo zajścia tego procesu
można wyznaczyć ze wzoru:
1
(3)
ABS = 1 −
ωL (S + 1)
Gdzie:
ωL - wydajność fluorescencji,
Ppg
S = Ppu
- stosunek liczby zliczeń w piku głównym do liczby zliczeń w piku ucieczki, liczone jako pola powierzchni
pod pikami.
1
2
Tor pomiarowy 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 ksenonem. Badaliśmy widma 55 F e oraz 109 Cd, schematy
rozpadu przedstawiono na Rys.2 poniżej:
Rys.2 Schematy rozpadu badanych pierwiastków.
Na schematach uwzględniono jedynie przejścia, które zaobserwowano lub były istotne w ćwiczeniu.
2
3
Zdolność rozdzielcza w funkcji napięcia R(V )
W tym podpunkcie zajmujemy się wyznaczeniem plateau wykresu R(V ) czyli zakresu napięcia pracy dla detektora.
Zdolność rozdzielczą liczyliśmy (wedle wzoru (1)) jedynie dla pików głównych. Zależności R(V ) są zdeterminowane
w dużej mierze składem gazu detektora, ich charakterystyczną cechą jest jednak pogorszenie zdolności rozdzielczej
zarówno dla małych (szumy) jak i dużych napięć (zaburzenie proporcjonalności licznika) - naszym celem jest także
zaobserwowanie tych cech.
3.1
dla źródła
55
Fe
R [%]
W tym przypadku zbieraliśmy dane spektrometryczne przez 150 [s] w zakresie napięć U = 1680 − 2260 [V ] ze
skokiem co 40 V . Otrzymane wyniki przedstawia Wyk.1 :
21.5
21
20.5
20
19.5
19
18.5
18
17.5
1700
1800
1900
2000
2100
2200
U [V]
Wyk.1 Wykres zależności R(U) dla
55
F e.
W całym badanym zakresie napięć nie odnotowano oczekiwanego wzrostu zdolności rozdzielczej R. Detektor
zachowywał w miarę stałą wartość R, dopiero przy 2200 [V ] zaczęto odnotowywać delikatny wzrost - możliwe,
że jest to kraniec zakresu pracy detektora. Niestety, w zakresie niskich napięć nie widać podobnego wzrostu. Na
podstawie przeprowadzonych pomiarów stwierdzono, że zakres plateau wynosi U = 1680 − 2200 [V ].
3
3.2
dla źródła
109
Cd
R [%]
W tym przypadku zbieraliśmy dane spektrometryczne przez 150 [s] w zakresie napięć 1750 − 2200 [V ] ze skokiem
co 50 V . Otrzymane wyniki pokazano na Wyk.2 :
13
12.5
12
11.5
11
10.5
10
9.5
9
8.5
1700
1750
1800
1850
1900
1950
2000
2050
2100
2150
U [V]
Wyk.2 Wykres zależności R(V) dla
109
Cd.
Inaczej niż w przypadku żelaza, tutaj odnotowaliśmy wzrost zdolności rozdzielczej dla dużych napięć. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów stwierdzono, że zakres plateau wynosi U = 1750 − 1950 [V ].
4
4
Stosunek położenia piku głównego do piku ucieczki w funkcji napięcia
(PG-PU)/PG [-]
Dla żelaza badaliśmy, oprócz piku głównego, również położenie piku ucieczki aby wykreślić funkcję określoną wzorem
(2). Spodziewamy się uzyskać stałą lub lekko malejącą zależność wraz z rosnącym napięciem. Wyniki pomiaru
przedstawiono na Wyk.3 :
3
2.8
2.6
2.4
2.2
2
1.8
1.6
1700
1750
1800
1850
1900
1950
2000
2050
2100
2150
U [V]
Wyk.3 Względna różnica piku ucieczki do piku głównego dla
55
F e.
Jak widać, zależność jest, w badanym zakresie, stała i wynosi:
ā = 2.56 ± 0.30 [−]
Jest to pożądany wynik, spodziewaliśmy się go uzyskać w zakresie pracy licznika proporcjonalnego.
5
Prawdopodobieństwo absorpcji
Znamy całkowitą liczbę zliczeń w piku głównym oraz w piku ucieczki jako pola powierzchni pod pikami. Wydajność
fluorescencji linii L dla ksenonu odczytujemy z tablic1 ωL = 0.110. Wszystkie te informacje wstawiamy do wzoru
(3). Ponieważ dysponujemy 15 pomiarami stosunku S, wyznaczamy średnią z tych pomiarów S̄ = 29.27 ± 2.69.
Otrzymujemy ostatecznie:
ABS = 70.0 ± 0.5 [%]
Współczynnik ten zależy w dużym stopniu od geometrii detektora.
1 Używano
tabeli 5.2 str. 90 ze skryptu B. Dziunikowski, S. Kalita ”Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych”
5
6
Identyfikacja pików dla
109
Cd
Podczas badania źródła kadmu zidentyfikowaliśmy szereg pików, ich położenie zestawiono w Tab.1 :
Tab.1 Tabela z odnotowanymi pikami dla
#
1
2
3
4
5
6
Kanał
685
775
?
548
2̃08
2̃43
1
Energia z tablic [keV ]
21.9
25.2
21.1
17.8
?
?
Energia z eksp. [keV ]
21.9
24.7
?
17.5
6̃.7
7̃.8
109
Cd.
Pochodzenie, uwagi
linia Kα Ag, pik główny, podstawa kalibracji
linia Kβ Ag, pik główny
linia Lβ Ag, pik ucieczki, nałożony na pik 685
linia Lα Ag, pik ucieczki
linia Kab , możliwe Cr, Mn, Fe
linia Kab , możliwe Co, Fe, Mn
Pik 1 i 2 to piki główne powstałe w wyniku zdeponowania całej energii promieniowania X (fotoelektron plus
elektron Augera) pochodzącego od źródła kadmu (patrz Rys.2 ) zarówno dla linii Kα Ag jak i Kβ Ag. Za podstawę
kalibracji obrano najbardziej wyrazisty pik 1.
Piki 3 i 4 to piki ucieczki dla odpowiednich linii, energetyczna odległość teoretyczna wynosi 4.1 [keV ] i jest to linia
Lα dla ksenonu1 Niestety piku 3 nie dało się zidentyfikować w eksperymencie, zdolność rozdzielcza nie pozwoliła na
rozdzielenie go od głównego piku Kα Ag.
Piki 5 i 6 to główne piki dla metali znajdujących się w liczniku (zanieczyszczenia). Niestety pomiar nie potrafił
określić co to za pierwiastki dokładniej niż do sugestii podanych w tabeli.
1.
1 Używano
tabeli 3.2 str. 54-58 ze skryptu B. Dziunikowski, S. Kalita ”Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych”
6