Ćw. KOM

Ćwiczenie KOM
Jacek Grela, Łukasz Marciniak
9 grudnia 2009
1
Wstęp teoretyczny
Komora wielodrutowa jest de facto licznikiem gazowym proporcjonalnym. Najczęściej zawiera ona wiele, blisko
siebie, równo rozmieszczonych oraz znajdujących się w jednej płaszczyźnie drutów anodowych. Linie sił pola elektrycznego są równoległe i prawie stałe z wyjątkiem obszaru blisko anod. Tam pole ma zależność od odległości jak
1/r. Jeśli elektrony i jony są wyzwolone w stałym polu będą one dryfowały odpowiednio do najbliższej anody lub
katody. Kiedy elektrony osiągną obszar dostatecznie silnego pola będą szybko przyspieszane i wyprodukują lawinę. Sąsiednie druty anodowe także powinny odczuwać lawinę jednakże sygnał na nich jest mniejszy. Każdy drut z
osobna działa jak niezależny licznik proporcjonalny. Taki licznik ma, podobnie jak inne detektory gazowe, dobrze
określone plateau:
Rys.1 Plateau licznika.
Gdzie:
U [V ] – napięcie polaryzacji licznika podane w woltach,
N – liczba zliczeń w czasie.
Płaskie części wykresu N (U ) mają wspólną nazwę plateau licznika. Dla tych zakresów możemy określić nachylenie
tzw. plateau licznika zdefiniowanego jako:
η=
104 (N 2 − N 1)
N 1+N 2
(U 2 − U 1)
2
[%/100V ]
(1)
Gdzie oznaczenia są wyjaśnione na Rys.1. Czynnik 104 odpowiada za procenty oraz wartość nachylenia podaną na
100 [V ].
Kolejnym wzorem, który jest przydatny w trakcie ćwiczenia jest relacja wiążąca ciśnienie gazu panujące w liczniku
z drogą swobodną cząstek:
kT
(2)
λ= 2
πr p
Gdzie:
λ – droga swobodna cząstki,
k – stała Boltzmanna,
T – temperatura w liczniku,
r – promień cząstki,
p – ciśnienie panujące w liczniku.
1
Czynnik ciśnieniowy dla wykresów kanału piku w funkcji ciśnienia jest określony podobnie jak nachylenie plateau
jako:
103 (ch2 − ch1)
ηp = ch1+ch2
[%/10mBar]
(3)
(p2 − p1)
2
Gdzie:
ch1, ch2 – numery kanałów,
p1, p2 [mBar] – odpowiadające kanałom ch1 i ch2 ciśnienia.
Czynnik 103 odpowiada za procenty oraz wartość nachylenia podaną na 10 [mBar].
2
2.1
Eksperyment
Ogólne uwagi
W ćwiczeniu użyliśmy komory wielodrutowej do uzyskania wykresu liczby zliczeń w funkcji napięcia polaryzacji
detektora. W drugiej części badaliśmy także wpływ zmiennego ciśnienia na parametry przepływowego detektora
proporcjonalnego.
2.2
Komora wielodrutowa
Każdorazowo zbieraliśmy liczbę impulsów przez 100 sekund przy ustalonym progu dyskryminacji. Źródłem było
promieniowanie kosmiczne. Wyniki zostały zestawione w Tab.1 :
Tab.1 Tabela z danymi z komory wielodrutowej.
U [V ]
1300
1389
1460
1507
1563
1600
1644
1696
1743
1812
1876
1931
1984
2070
N [−]
84
112
154
168
174
215
245
193
195
229
184
245
606
1295
Gdzie:
U – napięcie polaryzacji detektora,
N – liczba zliczeń w trakcie 100 sekund.
2
N [-]
Wyniki są przedstawione na Wyk.1 :
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
U_0 [V]
Wyk.1 Zależność ilości impulsów N od napięcia polaryzującego detektor U0 .
Określono zakres plateau na 1400 − 1900 [V ] i wyliczono, ze wzoru (1) nachylenie plateau:
η = 8.98
[%/100V ]
Powyższy wykres obrazuje zakres proporcjonalności. Widoczne plateau jest świadectwem na to, że licznik działa
poprawnie w badanym zakresie - większość padającego promieniowania zostaje przekształcona w impulsy. Dla
napięć polaryzacji wyższych od 1900 [V ] wchodzimy w zakres GM (samogasnącego streamera czy wyładowania
koronowego) - obserwujemy gwałtowne zwiększenie ilości rejestrowanych impulsów.
3
2.3
Wpływ ciśnienia na parametry detektora
Wpływ ciśnienia badano na przepływowym detektorze proporcjonalnym z gazem Ar + CO2 , źródłem było 55 F e.
Dokonano dwóch pomiarów (dla różnych napięć polaryzacji detektora) zmiany położenia piku przy zmiennym
ciśnieniu. Dane z pomiarów zestawiono w Tab.2 :
Tab.2 Tabela z danymi z licznika proporcjonalnego.
p [mBar] ch [−]
U=1413 [V ]
987
648
990
640
995
624
1000
605
1005
589
1010
571
1015
557
1020
543
1025
527
1030
511
1035
499
1040
485
1045
469
1050
457
1055
445
1060
436
1065
423
1070
413
1075
401
1080
389
p [mBar] ch [−]
U=1440 [V ]
985
854
990
831
995
808
1000
786
1005
767
1010
741
1015
723
1020
703
1025
683
1030
661
1035
640
1040
622
1045
604
1050
587
1055
570
1060
555
1065
535
1070
525
1075
513
1080
496
Gdzie:
p – ciśnienie wewnątrz detektora,
ch – kanał położenia piku głównego.
ch [-]
Wyniki pokazano na Wyk.2 :
900
dla U_0 = 1413 [V]
dla U_0 = 1440 [V]
nachylenie (-2.803 +/- 0.050) [ch/mBar]
nachylenie (-3.795 +/- 0.067) [ch/mBar]
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
980
1000
1020
1040
1060
1080
p [mBar]
Wyk.2 Zależność położenia kanału piku głównego ch w funkcji ciśnienia gazu p wewnątrz detektora.
4
Na Wyk.2 umieszczono także dopasowanie wykresów do funkcji liniowej. Uzyskane współczynniki z dobrą zgodnością (niepewności względne 2%) zgadzają się z postulowaną postacią funkcyjną. Ze wzoru (3) uzyskano czynniki
ciśnieniowe (można też wykorzystać obliczone współczynniki kierunkowe):
η1440 = −5.6
[%/10mBar]
η1413 = −5.4
[%/10mBar]
W obydwu przypadkach obserwujemy liniowe obniżanie umiejscowienia piku. Jest to konsekwencją wzoru (2) mówiącego, że wraz ze wzrostem ciśnienia spada średnia droga swobodna elektronów w gazie. W związku z tym elektrony
poruszające się w polu elektrycznym są przyspieszane do mniejszych prędkości. Przez to elektrony słabiej tworzą
jonizację wtórną. Równoważnie można zauważyć, że wzmocnienie gazowe (proporcjonalne do numeru kanału piku)
jest zależne od ciśnienia odwrotnie proporcjonalnie (np. wzór Korffa).
5