Πείραμα 9- Ανιχνευτές Ακτινοβολίας(Σπινθηριστής)tel

Προχωρημένα Εργαστήρια Φυσικής

Πείραμα 9- Ανιχνευτές Ακτινοβολίας (Χρήση

σπινθηριστή-Φασματοσκοπία ακτινών γ)

Ημερομηνία Εκτέλεσης Πειράματος:24/04/2012

Ημερομηνία Παράδοσης Αναφοράς:08/05/2012

Ομάδα 3: Καραλάκης Νίκος (3335) Χατζημπαλόγλου Όθωνας (3409)

Πανεπιστήμιο Κρήτης

Τμήμα Φυσικής

Προχωρημένα Εργαστήρια Φυσικής [ΠΕΙΡΑΜΑ 9- ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ(ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΗΣ)

Ομάδα 3: Καραλάκης Νίκος (3335) Χατζημπαλόγλου Όθωνας (3409) Σελίδα 1

Σκοπός της άσκησης:

Κατανόηση της λειτουργίας του σπινθηριστή Φασματοσκοπία ακτινών γ,που προέρχονται από την αποδιέγερση ραδιενεργού

πυρήνα(από την διεγερμένη στάθμη στην οποία αφήνεται μετά από διάσπαση β)

Θεωρητικό Μέρος:

Βασικές αρχές ραδιενεργούς ακτινοβολίας

Ένα ραδιενεργό στοιχείο μεταστοιχειώνεται στα ισότοπα του, εκπέμποντας ακτινοβολία α ή β.

Στην περίπτωση της ακτινοβολίας β, έχουμε δυνητικά επακόλουθη εκπομπή ακτινοβολίας γ, η

οποία παράγεται κατά την αποδιέγερση του θυγατρικού πυρήνα.

Διάσπαση α

Κατά την διάσπαση α, ο ασθενής μητρικός πυρήνας διασπάται σε έναν θυγατρικό και σε ένα

4

2 Heπυρήνα . Κατά συνέπεια, λαμβάνει χώρα η παρακάτω πυρηνική αντίδραση:

𝛸 → 𝛼 + 𝛶 + 𝑄𝛧−2

𝛢−4

𝛧

𝛢

Διάσπαση β

Στην διάσπαση β+, λόγω της ασθενούς πυρηνικής αλληλεπίδρασης, συμβαίνει η πυρηνική

αντίδραση

1 1

0 1 en p e

1

A A

Z Z eX Y e Q

ενώ στην περίπτωση της διάσπασης β-, έχουμε:

1 1

1 0 ep n e

1

A A

Z Z eX Y e Q

Διάσπαση γ

Η εκπομπή γ εμφανίζεται συνήθως σε συνδυασμό με την α και β εκπομπή. Συγκεκριμένα, ο

διεγερμένος θυγατρικός πυρήνας που προκύπτει από τις παραπάνω πυρηνικές αντιδράσεις,

αποδιεγείρεται συνήθως στην θεμελιώδη κατάσταση με ταυτόχρονη εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής

ακτινοβολίας υπό μορφή ενός φωτονίου (ακτίνες γ). Δηλ. συμβαίνει η παρακάτω πυρηνική

αντίδραση:

*A A

Z ZX X



Η ακτινοβολία γ μπορεί με διάφορους τρόπους να επιδράσει με την ύλη. Οι τρόποι αυτοί

χωρίζονται ανάλογα με το ποσό της ενέργειας που μεταφέρουν στην ύλη. Τρείς είναι οι τρόποι

που παίζουν πρωτεύοντα ρόλο για τους ανιχνευτές ακτινοβολίας:

Φωτοηλεκτρική απορρόφηση

Κατά τη διαδικασία της φωτοηλεκτρικής απορρόφησης το προσπίπτον φωτόνιο απορροφάται

τελείως κατά την αλληλεπίδρασή του με ένα άτομο, με ταυτόχρονη απελευθέρωση ηλεκτρονίου,

πιθανότατα προερχόμενου από την Κ στοιβάδα του ατόμου.

Σκέδαση Compton

Το φωτόνιο σκεδάζεται από ελεύθερο ηλεκτρόνιο του μέσου κατά γωνία θ, μεταφέροντας μέρος

της ενέργειας του στο ηλεκτρόνιο, το οποίο υποθέτουμε ότι ήταν αρχικά σε ηρεμία. Επειδή όλες

οι γωνίες είναι πιθανές, η ενέργεια που μεταφέρεται στο ηλεκτρόνιο μπορεί να κυμαίνεται από θ

μέχρι σημαντικά ποσοστά της αρχικής ενέργειας του φωτονίου.

Δίδυμη γένεση

Κατά τη διαδικασία αυτή, το φωτόνιο γ εξαφανίζεται δίνοντας τη θέση του σε ένα ζεύγος

«ποζιτρονίου – ηλεκτρονίου». Το ποζιτρόνιο αφού επιβραδυνθεί μέσα στον απορροφητή, θα

εξαϋλωθεί δίνοντας δυο φωτόνια το καθένα ενέργειας 0,5ΜeV.

Φωτοπολλαπλασιαστής

Τα παραγόμενα φωτόνια οδηγούνται μέσω κυματοδηγών σε συστήματα τα οποία ονομάζονται

φωτοπολλαπλασιαστές. Οι φωτοπολλαπλασιαστές μετατρέπουν το εισερχόμενο φως

ανιχνεύσιμο ηλεκτρικό σήμα. Η εκπομπή φωτός είναι ανάλογη της ενέργειας που απορροφάται

από τον σπινθηριστή και με αυτόν τον τρόπο όχι μόνο ανιχνεύονται τα παραγόμενα φωτόνια

αλλά καθορίζεται και η ενέργειά

Σπινθηριστής

Η λειτουργία των σπινθηριστών στηρίζεται στην ιδιότητα ορισμένων υλικών φωτεινότητας όταν

εκτεθούν σε κάποια μορφή ενέργειας (φως, θερμότητα, ραδιενέργεια) να απορροφηθούν και να

επανεκπέμπουν την ενέργεια υπό μορφών ορατών φωτονίων.

Αν έχουμε επανεκπομπή ενέργειας άμεσα (10s - 8s) τότε έχουμε φθορισμό.

Αν υπάρχει καθυστέρηση επανεκπομπής τότε έχουμε φωσφορισμός.

NaIΟ σπινθηριστής που χρησιμοποιείται στο πείραμα, αποτελείται από κρύσταλλο . Ένας

κρύσταλλος, χωρίς προσμίξεις, καθότι ημιαγωγός, έχει ζώνες και χάσματα, δηλαδή επιτρεπτές

ενεργειακές περιοχές και απαγορευμένες αντίστοιχα. Οι ζώνες διακρίνονται σε ζώνες σθένους

(όπου όλες οι καταστάσεις είναι κατειλημμένες) και ζώνες αγωγιμότητας (όπου υπάρχουν κενές

καταστάσεις). Ανάμεσα στις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας παρεμβάλλονται τα χάσματα. Όταν

ο κρύσταλλος αλληλεπιδράσει με την ακτινοβολία γ που προκύπτει από την αποδιέγερση του

πυρήνα, τότε τα ηλεκτρόνια μπορούν να κερδίσουν ενέργεια και να μεταπηδήσουν από μία ζώνη

σθένους σε μία ζώνη αγωγιμότητας με αποτέλεσμα τη δημιουργία οπών στη ζώνη σθένους. Η

διαδικασία επιστροφής του ηλεκτρονίου στη ζώνη σθένους με ταυτόχρονη εκπομπή ενός

Thφωτονίου, έχει μικρή πιθανότητα πραγματοποίησης. Προσθέτοντας όμως προσμίξεις στον



κρύσταλλο, τότε η πιθανότητα αυξάνεται, διότι οι προσμίξεις δημιουργούν επιτρεπτές ενεργειακές

καταστάσεις μέσα στο χάσμα. O αριθμός των εκπεμπόμενων από τον κρύσταλλο φωτονίων

φθορισμού είναι ανάλογος της ενέργειας που αποτέθηκε μέσα στον κρύσταλλο και συνεπώς,

ανάλογος του αριθμού των φωτονίων που εκπέμφθηκαν από τον πυρήνα.

Πειραματική Διαδικασία και Ανάλυση Μετρήσεων:

Μέρος Ά: Βαθμονόμηση της πειραματικής διάταξης!!

Θέτουμε σε λειτουργία την διάταξη του σχήματος 1 και τοποθετούμε στο παράθυρο του ανιχνευτή δύο

γνωστές πηγές , το κοβάλτιο (Co) και το νάτριο (Na), ώστε παρατηρώντας το φάσμα τους να κάνουμε

βαθμονόμηση της πειραματικής διάταξης και στη συνέχεια να ερμηνεύσουμε το φάσμα ενός άγνωστου

στοιχείου. Tοποθετούμε αρχικά την ραδιενεργή πηγή Co. Από τον πολυαναλυτή λαμβάνουμε το φάσμα

του Co. Επαναλαμβάνουμε την διαδικασία για την πηγή Να. Έτσι, προκύπτουν τα παρακάτω

διαγράμματα , τα οποία αντιστοιχούν στις φασματοσκοπίες Co και Na. Να αναφέρουμε ακόμα ότι

ρυθμίσαμε τον πολυαναλυτή σε τάση 0,88KVolts.

Σχήμα 1



-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

-300 200 700 1200 1700 2200

Co

un

ts

Channels

Διάγραμμα Co

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 500 1000 1500 2000

Co

un

ts

Channels

Διάγραμμα Na



Με βάση την βιβλιογραφία, εμφανίζονται τα εξής φαινόμενα σε γνωστές ενέργειες:

Για Co:

Φωτοκορυφή : 1,1732 ΜeV

Φωτοκορυφή : 1,3325 MeV

Για Na:



Σε αυτό το σημείο από τα παραπάνω διαγράμματα αναγνωρίζουμε τις φωτοκορυφές τις οποίες

και αντιστοιχίζουμε στις θεωρητικές τιμές ενέργειας των φωτοκορυφών ώστε να κάνουμε την

βαθμονόμηση. Έτσι προκύπτει ο παρακάτω πίνακας:

Πίνακας 1

Channels ΔChannels E(Mev)

Co 709 1 1,1732

803 1 1,3325

Na 316 1 0,5110

756 1 1,2770

Με βάση τον πίνακα 1 προκύπτει το παρακάτω διάγραμμα :

y = 0,0017x - 0,0274

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

E(M

ev)

Channels

E(MeV)=f(Channels)



Από το παραπάνω διάγραμμα, παρατηρούμε ότι η εξάρτηση Ε(Channels) παρουσιάζει γραμμική

τάση. Προσαρμόζοντας ευθεία στο παραπάνω διάγραμμα, προσδιορίζουμε την εξίσωση

βαθμονόμησης της πειραματικής διάταξης, η οποία έχει ως εξής:

0.0017 0.0274E Channels

Μέρος Β’ – Μελέτη φασματοσκοπίας γ για άγνωστη πηγή «Βηρύλλιο»

Tοποθετούμε τη ραδιενεργή πηγή του άγνωστου στοιχείου(Βισμούθιο). Από τον πολυαναλυτή

λαμβάνουμε το φάσμα του Bi. Μελετώντας την φασματοσκοπία του Bi και βασιζόμενοι στην

βαθμονόμηση που πραγματοποιήσαμε στο Α΄ Μέρος, προκύπτει ο πίνακας 2.

Πίνακας 2

Bi Channels±1 Ε(π)ΜeV E(θ)MeV δ%

Αιχμή Compton 342 0,554 0,560 1,07

1η φωτοκορυφή 627 1,039 1,063 2,30

2η φωτοκορηφή 986 1,649 1,770 6,85

Παρατηρούμε όπως ήταν αναμενόμενο η 2η φωτοκορυφή να έχει το μεγαλύτερο σφάλμα, γιατί

είναι δυσκολότερο να την διακρίνουμε σε σχέση με την 1η και την αιχμή Compton!!

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 500 1000 1500 2000

Co

un

ts

Channels

Άγνωστο"Bi"



Μέρος Γ΄-Διακριτική ικανότητα οργάνου

Στο τελευταίο μέρος του πειράματος θα υπολογίσουμε τη διακριτική ικανότητα του σπινθηριστή,

δηλαδή την ικανότητα του να ξεχωρίζει δυο κορυφές που απέχουν λίγο μεταξύ τους. Η διακριτική

ικανότητα του συστήματος του σπινθηριστή εξαρτάται από:

Την ποιότητα του κρυστάλλου και του φωτοπολλαπλασιαστή.

Την ενέργεια της ακτινοβολίας.

Την υψηλή τάση που εφαρμόζεται στον φωτοπολλαπλασιαστή.

Η διακριτική ικανότητα ορίζεται από την σχέση

1

ER

E

,

όπου, ΔΕ το πάχος της κάθε φωτοκορυφής στο μισό της ύψος (FWHM).

H εξάρτηση της διακριτικής ικανότητας από την ενέργεια δίνεται από την εμπειρική σχέση

E

baR 2

Επομένως, μελετώντας τις φασματογραφίες γ των στοιχείων Na, Co, και Bi μετρούμε τα ΔΕ της

κάθε φωτοκορυφής (μετατρέποντας τα σε ενέργεια μέσω της εξίσωσης βαθμονόμησης) και για τα

τρία στοιχεία, και κατασκευάζουμε έτσι το παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 3

Στοιχείο Φωτοκορυφές ΔΕ(MeV) E(MeV) 1/E(MeV) R R2

Co 1η 0,017 1,173 0,85237 0,01994 0,00040

2η 0,035 1,333 0,750469 0,04664 0,00218

Na 1η 0,016 0,511 1,956947 0,00818 0,00007

2η 0,028 1,277 0,783085 0,03576 0,00128

Bi 1η 0,008 1,039 0,962927 0,00831 0,00007

2η 0,021 1,649 0,606502 0,03462 0,00120

Τώρα, με βάση τον πίνακα 3 θα κάνουμε το διάγραμμα 2 1R f

E



Από το παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε, ότι, η εμπειρική σχέση εξάρτησης της διακριτικής

ικανότητας του οργάνου από την ενέργεια, επαληθεύεται εν μέρει καθώς η τάση του γραφήματος

είναι γραμμική εάν γίνει εξαίρεση κάποιων σημείων.

Παρατηρήσεις

Τα αποτελέσματα μας είναι ικανοποιητικά.

Στο μέρος Γ το ΔΕ δεν ήταν αρκετά σαφές γιατί στην μια μεριά δεν υπήρχε πάντα τιμή του Ε

κοντά στο μέσο του ύψους της κορυφής έτσι πήραμε την μέση τιμή των 2 τιμών εκατέρωθεν στην

συγκεκριμένη περίπτωση.

y = 0,0011x + 0,0003

0,000

0,001

0,001

0,002

0,002

0,003

0,003

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500

R2

1/Eγ

R^2=f(1/E)

Πείραμα 9- Ανιχνευτές Ακτινοβολίας(Σπινθηριστής)tel

Documents

Transcript of Πείραμα 9- Ανιχνευτές Ακτινοβολίας(Σπινθηριστής)tel