P1-Charakterystyka licznika G-M

Pomiar charakterystyki licznika Geigera-Müllera
Cel ćwiczenia
Zagadnienia do przygotowania
1. Promieniowanie jądrowe:
1. natura i rodzaje promieniowania oraz przemiany jądrowe.
2. Detektory promieniowania jądrowego. Budowa, zasada działania i zastosowanie
detektorów jonizacyjnych, komorowych, emulsji jądrowych, półprzewodnikowych,
itp.
3. Budowa, zasada działania oraz parametry działania licznika G-M.
4. Miary statystycznego rozrzutu wyników pomiarów.
Zadania do wykonania
1. Zdjęcie charakterystyki impulsowo-napięciowej.
2. Sporządzenie wykresu liczby zliczeń w funkcji napięcia zasilania licznika G-M oraz
wyznaczenie punktu pracy licznika i nachylenia plateau.
3. Pomiar czasu martwego licznika G-M metodą dwóch źródeł. Obliczenia wraz
z rachunkiem niepewności.
4. Oszacowanie wydajności licznika na promieniowanie γ.
Wprowadzenie teoretyczne
Budowa licznika Geigera-Müllera
Licznik (detektor) Geigera-Müllera należy do rodziny sond gazowych i umożliwia detekcję
promieniowania γ oraz cząstek naładowanych. Możliwość detekcji cząstek naładowanych
jest zdeterminowana konstrukcją danego typu licznika - sondy o „grubej” obudowie np.
szklanej, metalowej mogą rejestrować jedynie promieniowanie elektromagnetyczne X i γ.
Natomiast liczniki typu kielichowego z dostatecznie cienkim okienkiem wlotowym są czułe na
1
cząstki beta. Okienko wlotowe może być wykonane z miki o gęstości powierzchniowej
2 - 4 mg/cm2.
1
2
3
K
A
K
4
A
5
6
7
Rysunek 1. Schemat sondy G-M, u góry do detekcji promieniowania γ (1 - obudowa, szklana bańka, 2 - katoda, 3
- anoda), u dołu sonda kilichowa (okienkowa) do detekcji promieniowania β (4 - okienko mikowe, 5 - katoda, 6 anoda, 7 - izolator)
Wewnątrz szczelnej obudowy detektora G-M znajdują się dwie elektrody: cylindryczna
katoda i umieszczona w jej osi anoda (rysunek 1). Wnętrze licznika jest wypełnione gazem
np. argonem, neonem, wodorem pod ciśnieniem około 100 - 200 mmHg (13 - 27 kPa).
Pomiędzy elektrodami licznika jest przyłożone wysokie napięcie zależne od typu licznika
300 - 1500 V.
Uwaga! Maksymalne napięcie pracy dla sondy G-M model BOH-45 wynosi 700 V
przekroczenie tego napięcia grozi zniszczeniem licznika.
Uproszczony opis działania licznika G-M
Wysokie napięcie przyłożone pomiędzy katodą i anodą detektora G-M powoduje powstanie
silnego niejednorodnego pola elektrycznego. Cząstka β (kwant γ lub elektron wtórny wybity
z obudowy licznika) wpadający do objętości czynnej detektora powoduje jonizację atomów
(cząsteczek) gazu - jonizacja pierwotna.
Zjonizowane atomy gazu i elektrony są rozpędzane w niejednorodnym polu
elektrycznym pomiędzy elektrodami. Największe natężenie pola elektrycznego występuje
2
w pobliżu dodatniej anody i tam elektrony powstałe w wyniku jonizacji uzyskują energię
kinetyczną wystarczającą do wzbudzenia lub jonizacji kolejnych atomów (cząsteczek) gazu.
W wyniku deaktywacji promienistej wzbudzonych atomów (cząsteczek) gazu
emitowane są fotony o długościach fal z zakresu ultrafioletu (UV), które wybijają
fotoelektrony z ujemnej katody (efekt fotoelektryczny). Fotoelektrony te są rozpędzane
w polu elektrycznym jonizując lub wzbudzając kolejne atomy (cząsteczki) gazu.
Dodatnie jony rozpędzane w polu elektrycznym po dotarciu do ujemnej katody
również wybijają z niej elektrony. Wewnątrz licznika rozwija się wyładowanie lawinowe,
w takim stanie licznik nie może rejestrować kolejnych cząstek β i kwantów γ.
Wygaszenie wyładowania lawinowego można uzyskać poprzez modyfikację składu
gazu wypełniającego licznik - dodanie cząstek gazu wieloatomowego np. par alkoholu,
metanu (np. 90 % Ar, 10 % C2H5OH). Liczniki taki nazywamy samogasnącym ponieważ
molekuły wieloatomowe pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe. Jony molekuł
wieloatomowych podczas rozpędzania polu elektrycznym częściej ulegają zderzeniom niż
zjonizowane atomy (mają większy przekrój czynny na zderzenia) tracąc w ten sposób energię
kinetyczną. W rezultacie ich energia po dotarciu do katody nie jest wystarczająca do
wybijania elektronów.
Innym sposobem wygaszenia wyładowania lawinowego jest włączenie w obwód
oporu rzędu 109 Ω, który uniemożliwia szybkie odprowadzenie ujemnego ładunku
(elektronów) z anody - prowadzi to do spadku natężenia pola elektrycznego - elektrony nie
mają wystarczającej energii kinetycznej do wywołania kolejnych aktów jonizacji.
W przypadku detektora G-M amplituda impulsu nie zależy od energii rejestrowanych
cząstek promieniowania jonizującego, licznik ten służy tylko do rejestracji impulsów - liczby
cząstek. Inne liczniki gazowe takie jak komora jonizacyjna, licznik proporcjonalny,
umożliwiają pomiar energii rejestrowanych cząstek promieniowania jonizującego.
Detektory gazowe w ogólności zbudowane są z elektrod (katody, anody), które
można traktować jak kondensator, różnią się natomiast geometrią, składem oraz ciśnieniem
wypełniającego gazu i co najważniejsze napięciem pracy (Rysunek 2).
W komorze jonizacyjnej z uwagi na niewielkie przyłożone napięcie występuje
zjawisko jonizacja pierwotnej, a liczba wytworzonych jonów jest proporcjonalna do traconej
przez cząstkę energii. Komora jonizacyjna może pracować jako impulsowa rejestrując
pojedyncze cząstki (niewielka amplituda impulsów utrudnia pomiary - rejestracja cząstek
3
o dużej gęstości jonizacji) oraz jako prądowa, gdzie mierzony jest prąd przepływający przez
komorę, który jest proporcjonalny do strumienia przechodzących cząstek.
Licznik proporcjonalny pracuje w takim zakresie napięć, że elektrony z jonizacji
pierwotnej rozpędzane w polu elektrycznym pomiędzy katodą i anodą uzyskują dostatecznie
duże energie by wywołać wzbudzenie i jonizację atomów gazu. Następuje proporcjonalny
względem ładunku jonizacji pierwotnej wzrost ładunku docierającego do elektrody wzmocnienie gazowe. Impulsy mają większą amplitudę niż w przypadku komory jonizacyjnej,
a jednocześnie pozostają proporcjonalne do ilości jonów z jonizacji pierwotnej, a zatem do
energii traconej przez cząstkę. Napięcie zasilania licznika proporcjonalnego musi być stabilne
lg (amplitudy impulsu)
- zmiana napięcia prowadzi do zmiany wzmocnienia.
a
b
c
d
e
napięcie
Rysunek 2. Charakterystyka gazowych detektorów promieniowania - zależność liczby par jonów zebranych na
elektrodach w funkcji napięcia), a - obszar pracy komory jonizacyjnej, b - obszar pracy licznika
proporcjonalnego, c - obszar ograniczonej proporcjonalności, d - obszar pracy detektora G-M, e - obszar
wyładowań samorzutnych
Czas martwy licznika
Liczniki G-M, sondy scyntylacyjne, półprzewodnikowe jak i elektronika przetwarzająca
sygnały charakteryzują się pewną rozdzielczością czasową. Oznacza to, że z dwóch lub
większej liczby zdarzeń występujących w niewielkim odstępie czasowym zostanie
zarejestrowane tylko to pierwsze - następuje gubienie zliczeń. W przypadku licznika G-M
największy wkład w rozdzielczość ma czas martwy.
4
Czas martwy licznika G-M - τ jest to przedział od chwili gdy cząstka lub kwant
promieniowania wywoła wyładowanie lawinowe do czasu zgaszenia tego wyładowania.
Liczniki Geigera-Mullera charakteryzuje się czasem martwym rzędu τ ∼ 10-4 s. Czasowa
zdolność rozdzielcza elektroniki zliczającej impulsy jest wielokrotnie lepsza od zdolności
rozdzielczej detektora G-M i można przyjąć, że nie ma wpływu na rejestrowane wyniki.
Dla wyznaczenia rzeczywistej częstości zliczeń (liczba zliczeń na jednostkę czasu)
możemy przyjąć następujące rozumowanie. Jeśli przez nz oznaczymy zarejestrowaną
częstość zliczeń w jednostce czasu, a przez τ czas martwy, to przez czas nzτ detektor nie był
zdolny do rejestrowania zliczeń (czas trwania wyładowań lawinowych), a rzeczywisty czas
rejestracji wynosił 1 - nzτ, wówczas możemy zapisać, że rzeczywista częstość zliczeń wynosi:
n=
nz
1 − n zτ
(1)
Wydajność licznika
Wydajność licznika (zliczania) ε definiujemy jako stosunek liczby zliczeń Nz do ilości cząstek
wpadających w objętość (powierzchnię) czynną licznika No w tym samym czasie
(równanie 2). Dla każdego rodzaju promieniowania wydajność licznika jest inna, ponadto
może być zależna od energii promieniowania jak jest w przypadku kwantów γ.
ε=
Nz
No
(2)
Wydajność licznika dla promieniowania beta jest bliska jedności (100 %), czyli praktycznie
wszystkie elektrony, które przejdą przez okienko wejściowe do wnętrza licznika zostaną
zarejestrowane. W przypadku promieniowania γ wydajność licznika jest znacznie niższa i dla
kwantów o energii 1 MeV wynosi około 0,01 (1 %).
Charakterystyka licznika G-M (Plateau)
Typowa charakterystyka impulsowo-napięciowa licznika G-M została pokazana na rysunku 3.
Na osi rzędnych odłożona jest liczba zliczeń, a na osi odciętych napięcie zasilania detektora
G-M. Uprogowe oznacza napięcie progowe poniżej, którego detektor G-M nie może rejestrować
promieniowania jonizującego - nie powstaje wyładowanie lawinowe. U1 jest napięciem
początku plateau, a U2 - napięciem końca plateau.
5
8000
7000
6000
liczba zliczeń N
5000
4000
3000
2000
1000
0
380
430
480
530
580
630
680
730
780
napięcie U[V]
Rysunek 3. Charakterystyka impulsowo-napięciowa licznika G-M (czerwonym odcinkiem oznaczono wybrane
arbitralnie plateau)
Plateau z języka francuskiego oznacza płaskowyż i nazwa ta jest w tym przypadku bardzo
adekwatna. Plateau licznika G-M to prosty płaski lub lekko nachylony odcinek, krzywej
wykresu liczby zliczeń w funkcji napięcia (rysunek 3). Odcinek ten da się opisać funkcją
liniową „wolno” rosnącą - o niewielkim nachyleniu, a zatem liczba zliczeń w tym obszarze
niemal nie zależy od napięcia. Napięcie środka plateau jest dobrym punktem pracy licznika,
ponieważ wahania napięcia zasilania nie będą wpływały (fałszowały) wyników pomiarów.
Pomiędzy napięciem progowym Uprogowe, a napięciem początku plateau U1, jak i powyżej
napięcia końca plateau U2 liczba zliczeń „silnie” zależy od napięcia zasilania i nie są
zapewnione stabilne warunki do pracy detektora G-M. Ponadto przy napięciach większych
od U2 w liczniku może powstawać wyładowania samorzutne i niegasnące.
Licznik można uznać za dobry gdy nachylenie plateau a nie jest większe od 3 % na 100 V.
a=
N 2 − N1
Np
U 2 −U1
100
⋅ 100%
(3)
Gdzie:
•
N2 - liczba zliczeń na końcu plateau przy napięciu U2
•
N1 - liczba zliczeń na początku plateau przy napięciu U1
•
Np - liczba zliczeń w wybranym miejscu pracy licznika - na środku plateau
6
Wyznaczanie czasu martwego licznika G-M metodą dwóch źródeł
Metoda ta polega na zarejestrowaniu częstości zliczeń (liczby zliczeń w jednostce czasu) N1,
N12 i N2:
1. N1 - częstość zliczeń otrzymana dla pierwszego źródła;
2. N12 -częstość zliczeń otrzymana dla pierwszego i drugiego źródła razem;
3. N2 - częstość zliczeń otrzymana dla drugiego źródła.
Można łatwo sprawdzić, że:
N1 + N 2 > N12
(4)
Wynik nie powinien być dla nas zaskoczeniem większa częstość zliczeń od dwóch źródeł
jednocześnie zwiększa prawdopodobieństwo gubienia impulsów spowodowane czasem
martwym. Rzeczywistą częstość zliczeń możemy zapisać jako:
N (1) =
N1
N12
N2
; N (12 ) =
; N (2) =
;
1 − N1τ
1 − N12τ
1 − N 2τ
(5)
Gdzie: τ - czas martwy, N(1), N(12), N(2) - rzeczywiste częstości zliczeń dla źródła pierwszego,
pierwszego i drugiego oraz drugiego;
Przyjmując, że dla rzeczywistych wartości częstości zliczeń spełniona jest poniższa równość:
N (1) + N ( 2 ) = N (12)
(6)
a uwzględniając tło:
N (1) − N ( t ) + N ( 2 ) − N (t ) = N (12) − N ( t )
(7)
Nt
N1
N2
N12
+
=
+
1 − N1τ 1 − N 2τ 1 − N12τ 1 − N tτ
(8)
Możemy podstawić
Z powyższego równania pomijając wyrazy o małym wkładzie (proporcjonalnych τ2)
otrzymamy wyrażenie na czas martwy w postaci:
τ=
2 ⋅ ( N1 + N 2 − N12 − N t )
(N1 + N 2 ) ⋅ N12
(9)
Oszacowanie wydajności licznika na promieniowanie γ
Oszacowanie takie można przeprowadzić dla długożyciowego preparatu promieniotwórczego o znanej aktywności A emitującego kwanty γ. Przyjmując, że preparat ma małe
rozmiary w porównaniu z odległością od detektora r możemy go traktować jako źródło
punktowe o izotropowej charakterystyce emisji.
7
Izotropową emisja źródła oznacza, że kwanty γ są emitowane w każdym kierunku
z takim samym prawdopodobieństwem - w pełny kąt bryłowy równy 4π steradianów. Dla
określenia wydajności detektora G-M najpierw należy obliczyć ile z emitowanych kwantów γ
trafi w powierzchnię czynną licznika, czyli z jakiego kąta bryłowego licznika zbiera sygnał
oraz stosunek tego kąta do pełnego kąta bryłowego. W tym celu założymy, że pole płaskiej
powierzchni czynnej licznika S jest mniejsze od kwadratu odległości licznik źródło r2, czyli od
jednego steradiana, wówczas kąt bryłowy z jakiego zbierane są kwanty γ można przybliżyć
przez Ω=S/r2. Stosunek kąta bryłowego Ω do pełnego kąta bryłowego oznaczmy jako:
ω=
Ω
4π
(10)
Wówczas do detektora G-M w czasie t dociera N0 kwantów γ:
N o = nAtω
(11)
Wydajność detektora G-M możemy określić zależnością:
ε=
Nz
Nz
=
N o nAtω
(12)
Gdzie: Nz - liczba zarejestrowanych kwantów γ, n - ilość kwantów γ emitowanych podczas
jednego aktu rozpadu, A - aktywność źródła przeliczona na dzień dokonywania pomiarów,
t - czas pomiaru, ω - część pełnego kąta bryłowego z jakiej zbierane są kwanty γ;
Oszacowanie wydajności licznika na promieniowanie β
Wydajność detektora G-M na promieniowanie β można określić w sposób podobny do
wydajności na promieniowanie γ. Jednakże w przypadku promieniowania β musimy
uwzględnić dwa dodatkowe efekty mianowicie pochłanianie promieniowania β w okienku
i warstwie powietrza oraz rozproszenie wsteczne:
N o = bAtωe
ε=
Nz
=
No
µ
ρ
− d
Nz
nbAtωe
(13)
µ
ρ
− d
(14)
Gdzie: Nz - liczba zarejestrowanych cząstek β, A - aktywność źródła przeliczona na dzień
dokonywania pomiarów, t - czas pomiaru, ω - część pełnego kąta bryłowego z jakiej zbierane
są cząstki β, µ/ρ - masowy współczynnik osłabiania (cm2/g), d - grubość warstwy powietrza
8
i okienka detektora w g/cm2, b - współczynnik korekty na rozproszenie zwrotne, n - ilość
cząstek emitowanych podczas jednego aktu rozpadu;
Zestaw pomiarowy:
Zestaw pomiarowy w wersji pierwszej składa się z:
1. Detektora - licznika Geigera-Müllera;
2. Radiometru uniwersalnego RUM2;
1. Zasilacz wysokiego napięcia;
2. Dyskryminatora/wzmacniacza;
3. Licznik (oraz analizator wielokanałowy - nie używany);
3. Systemu akwizycji przetwarzania i wizualizacji danych w postaci komputera;
Zestaw pomiarowy wersji drugiej składa się z:
1. Detektora - licznika Geigera-Müllera;
2. Zasilacza wysokiego napięcia;
3. dyskryminatora/wzmacniacza;
4. Licznika;
Elementy 2-4 umieszczone w jednej lub dwóch obudowach typu Standard.
Dyskryminator
Wzmacniacz
Licznik
Zasilacz
Wysokiego Napięcia
Rysunek 4. Schemat blokowy zestawu pomiarowego licznika G-M
Algorytm postępowania
Uwaga! Podłączanie bądź odłączanie sond przy włączonym przyrządzie może doprowadzić
do zniszczenia przyrządu lub sondy.
Uwaga! Podłączanie sondy przy włączonym wysokim napięciu doprowadzi do jej
uszkodzenia.
9
Uruchomienie zestawu pomiarowego
1. Uruchomić komputer i zalogować się jako użytkownik fiznuc (hasło: abbe213).
2. Uruchomić program Rum2 - ikona na pulpicie lub w menu start w submenu
PolonAlfa.
3. Postępować zgodnie z podpowiedziami programu i instrukcji, w przypadkach
budzących wątpliwości skonsultować się z prowadzącym ćwiczenie (kliknąć Dalej).
4. Wybrać Inna niewymieniona sonda lub źródło sygnału (po dokonaniu wyboru
podświetli się na zielono), kliknąć Dalej.
5. Sprawdzić prawidłowość podłączenia sondy G-M porównując z rysunkiem
wyświetlonym przez program - powinno być podłączone jedno z wysokich napięć
i/lub niskie napięcie 24V (w zależności od modelu sondy G-M). Jeśli podłączenie jest
prawidłowe kliknąć Dalej.
Uwaga! Gniazdo BNC-2.5 (małe gniazdo zasilacza wysokiego napięcia) nie jest
zamienne z gniazdem BNC-50 (gniazda Niskie napięcie 24 V, Synchronizacja, Wyjście).
Zastosowanie wtyków BNC-50 do gniazda BNC-2.5 może prowadzić do uszkodzenia
gniazda lub przyłączanych przyrządów.
6. Wybrać Uniwersalna magistrala szeregowa (USB) i kliknąć Dalej
7. Skontrolować prawidłowość podłączenia USB i zasilacza zgodnie z grafiką
wyświetloną przez program. Jeśli podłączenie jest prawidłowe kliknąć Dalej.
8. Wybrać z rozwijanego menu RUM-2 i kliknąć podłącz, po otrzymaniu komunikatu
podłączony kliknąć Dalej.
Urządzenie oraz jego oprogramowanie zostało uruchomione i przygotowane do pracy.
10
Rysunek 5. Główne okno programu obsługującego radiometr Rum2 (menu zasilacz wysokiego napięcia)
Zdjęcie charakterystyki impulsowo-napięciowej
Zdjęcie charakterystyki impulsowo-napięciowej polega na rejestracji liczby zliczeń dla
preparatu promieniotwórczego umieszczonego pod okienkiem wlotowym licznika G-M
w funkcji napięcia. Procedurą przeprowadza się w celu określenia parametrów
charakterystycznych takich jak napięcie progowe Uprogowe, obszar plateau, napięcie pracy Up
dla danego egzemplarza licznika G-M.
Zakres napięć pomiarowych, krok i czas trwania pomiaru ustalić z prowadzącym
(wstępnie można przyjąć zakres 400 - 700 V z krokiem 10 V, a następnie zagęścić obszar
najbardziej dynamicznych zmian tzn. przedział pomiędzy napięciem progowym Uprogowe,
a początkiem plateau U1). Wyniki pomiarów zanotować w tabeli (przykładowa tabela
prezentowana poniżej).
L.p.
U [V]
N
√N
1.
2.
...
Procedura pomiarowa:
1. Zanotować izotop oraz numer źródła otrzymanego preparatu promieniotwórczego.
11
2. Otrzymany preparat promieniotwórczy umieścić pod okienkiem wlotowym
detektora G-M (postępować zgodnie z zasadami BHP - użyć szczypiec).
3. W oknie programu RUM-2 w pionowym menu (po lewej stronie) wybrać Wysokie
napięcie:
Uwaga! Podczas pracy zasilacza wysokiego napięcia na środkowych kołkach gniazd
oznaczonych kolorem żółtym znajduje się niebezpieczne napięcie (300 - 1500 V).
Wyjścia wysokiego napięcia są zabezpieczone przez zwarciem bądź przeciążeniem,
jednak nie gwarantuje to bezpieczeństwa w wypadku dotknięcia środkowych kołków
gniazd.
Uwaga! Maksymalne napięcie pracy dla sondy G-M model BOH-45 wynosi 700V
przekroczenie tego napięcia grozi zniszczeniem licznika.
•
W polu Nastaw napięcie wpisać żądaną wartość i kliknąć Zasilacz wysokiego
napięcia włączony;
•
Zapala się czerwona kontrolka na obudowie przyrządu - Wysokie napięcie
włączone;
•
W oknie programu zapala się kontrolka Włączone zasilanie;
•
Zaczekać na zapaleniu kontrolki Napięcie stabilne;
Podpowiedź: W polu nastaw napięcie można dokonywać korekt podczas pracy
licznika bez wyłączania wysokiego napięcia.
4. Z lewej strony okna programu wybrać z pionowego menu Nastawy:
•
Wybrać opcję Skanuj ciągle;
Podpowiedź: Opcja Skanuj ciągle jest trybem oscyloskopowym umożliwiającym
podgląd rejestrowanych impulsów.
•
Wzmocnienie 0,3x ;
•
Korekta offsetu – po prawej stronie zaznaczyć opcję Automatycznie;
Uwaga! Nie włączać zasilacza napięcia 24 V nawet jeśli nasza sonda jest podłączona
pod gniazdo zasilacza 24 V.
Podpowiedź: Przed przejściem do innej zakładki wyłączyć skanuj ciągle pozostawienie tej opcji włączonej może zakłócać pomiary.
5. Z lewej strony okna programu wybrać z pionowego menu Tryb pomiaru:
•
Wybrać moduł pomiarowy Licznik, bez pomiaru histogramu;
12
•
Odznaczyć pole Pomiar ciągły;
Podpowiedź: W tym momencie użytkownik może przeprowadzić pomiary
manualnie lub stworzyć procedurę pomiarową, poniżej opisano obydwa warianty:
•
Pomiar manualny:
1. Ilość pomiarów w serii: 1;
2. Czas trwania pomiaru - zadać czas trwania pomiaru;
3. Z lewej strony okna programu wybrać z pionowego menu Licznik;
4. Uruchomić Start;
5. Po zakończeniu pomiaru zanotować liczbę zliczeń;
6. Przejść do zakładki Wysokie napięcie i zwiększyć napięcie zasilania o zadany
krok;
7. Wrócić do zakładki Licznik i ponownie uruchomić Start;
8. Procedurę z punktów 3 - 7 powtarzać dla zadanego zakresu napięć;
•
Pomiar z utworzoną procedurą:
1. Ilość pomiarów w serii: podzielić zakres pomiarowy przez krok otrzymaną
wartość zwiększyć o jeden (np. (700 - 400) / 10 + 1 = 31);
2. Czas trwania pomiaru - zadać czas trwania pomiaru;
3. Zaznaczyć opcję Włącz zadania pomiędzy pomiarami;
4. Z okna Dostępne zadania wybrać Zmień wysokie napięcie o 10 [V] i kliknąć
Wykonaj (krok procedury powinien zostać przeniesiony do okna po lewej
Wykonaj poniższe zadania);
5. Z okna Dostępne zadania wybrać Czekaj 30 [s] i kliknąć Wykonaj;
6. Z lewej strony okna programu wybrać z pionowego menu Licznik;
7. Uruchomić Start;
Podpowiedź: Zarówno przy pomiarze manualnym jak i z utworzoną procedurą
wyniki zostają zapisane w zakładce Licznik górna zakładka Tabela.
Tabela w wersji programu 1.2.10.1 nie wyświetla napięcia pracy przy serii
pomiarowej, aby uzyskać tą wartość należy kliknąć dwukrotnie na komórce Info
przy danej serii pomiarowej, a następnie w oknie, które się pojawiło rozwinąć:
Nastawy Radiometru -> Moduły -> Moduł zasilacza wysokiego napięcia.
13
Eksport danych do pliku HTML oraz wydruk nie zachowują danych z komórki
Info.
Sporządzenie wykresu liczby zliczeń w funkcji napięcia zasilania licznika G-M oraz
wyznaczenie punktu pracy licznika i nachylenia plateau
Zgodnie z zaleceniami prowadzącego sporządzić wykres liczby zliczeń w funkcji napięcia
N(U), przy pomocy programu Excel lub na papierze milimetrowym:
1. Arbitralnie ustalić początek N1(U1) i koniec N2(U2) plateau;
2. Wybrać punkt pracy licznika po środku obszaru plateau - przy napięciu Up.
3. Przeprowadzić obliczenia nachylenia plateau zgodnie z równaniem (3).
Podpowiedź: Nachylenie plateau można wyznaczyć wykorzystując regresję liniową.
Podpowiedź: Prawidłowo wykonany wykres powinien zawierać (mieć naniesiony): opis osi
współrzędnych, jednostki, tytuł z nazwą izotopu i nr źródła, punkty pomiarowe wraz
z niepewnością (niepewność liczby zliczeń N określamy jako pierwiastek z liczby zliczeń
√N). Najwygodniej jest sporządzić dwa wykresy lub ustalić wariant z prowadzącym:
•
Wariant pierwszy: skalę odciętych zaczynamy od napięcia 50 - 100 V poniżej
napięcia progowego Uprogowe, skalę rzędnych rozpoczynamy od zera;
•
Wariant drugi: w celu zwiększenia czytelności wykresu skalę odciętych zaczynamy
50 - 100 V poniżej napięcia progowego Uprogowe, a skalę rzędnych zawężamy tak by
mocno rozciągnąć obszar plateau;
Wariant pierwszy lepiej obrazuje cały przebieg zmienności i demonstruje obszar
plateau, wariant drugi umożliwia bardziej czytelne naniesienie niepewności
statystycznej liczby zliczeń.
Pomiar czasu martwego licznika G-M metodą dwóch źródeł
W celu przeprowadzenia pomiaru czasu martwego należy dla wybranego napięcia pracy
ustalonego na podstawie wykresu liczby zliczeń w funkcji napięcia:
a. zarejestrować liczbę zliczeń N1 w wybranym czasie dla źródła 1;
b. zarejestrować liczbę zliczeń N12 w wybranym czasie dla obydwu źródeł 1 i 2;
c. zarejestrować liczbę zliczeń N2 w wybranym czasie dla źródła 2;
14
d. zarejestrować tło w czasie wielokrotnie dłuższym i znormalizować do czasu pomiaru
dla źródeł.
Podpowiedź: Warunki eksperymentu dobrać w taki sposób by częstość zliczeń od
pojedynczego źródła wynosiła około 100/1s. Liczba zliczeń od pojedynczego źródła nie
może być mniejsza od 103. Tak ustalone warunku eksperymentu zapewnią niepewność
statystyczną liczby zliczeń na poziomie 1% (niepewność statystyczna dla liczby zliczeń N
wynosi √N) oraz dostatecznie duży czas martwy.
Przeprowadzić obliczenia zgodnie z równaniem (9). Niepewność wyznaczenia czasu
martwego określić za pomocą reguły kwadratowego przenoszenia niepewności (metody
różniczki zupełnej).
Podpowiedź: Umieszczenie źródeł (geometria układu) wpływa na liczbę zliczeń dlatego
umieszczamy pod licznikiem źródło pierwsze i przeprowadzamy pomiar - N1. Następnie nie
ruszając źródła pierwszego dokładamy źródło drugie i przeprowadzamy pomiar dla dwóch
źródeł - N12. W końcu usuwamy źródło pierwsze (nie ruszając źródła drugiego)
i przeprowadzamy pomiar - N2.
Oszacowanie wydajności licznika na promieniowanie γ
W celu przeprowadzenia oszacowania wydajności licznika na promieniowanie γ należy:
•
dla preparatu promieniotwórczego emitującego kwanty γ o znanej aktywności
zmierzyć odległość preparatu od licznika;
•
zmierzyć średnicę licznika G-M,
•
przeliczyć aktywność preparatu na dzień wykonywania pomiaru;
•
dla wybranego napięcia pracy ustalonego na podstawie wykresu liczby zliczeń
w funkcji napięcia zarejestrować liczbę zliczeń w zadanym czasie;
•
z równania 12 dokonać oszacowania wydajności licznika;
Podpowiedź: Na schemacie rozpadu dla wybranego źródła sprawdzić ilość kwantów γ
emitowanych podczas jednego aktu rozpadu. W przypadku gdy źródło oprócz kwantów γ
emituje cząstki β pomiędzy źródłem, a detektorem umieścić przesłonę wykonaną np.
z pleksiglasu.
15
Literatura
1. Adam Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądrowa atomowego, PWN Warszawa 1969
2. E. Skrzypczak, Z. Szefliński – Wstęp do Fizyki Jądrowej i Cząstek Elementarnych
3. Janusz Araminowicz, Krystyna Małuszyńska, Marian Przytuła, Laboratorium fizyki
jądrowej, PWN Warszawa 1978
4. J.B. England, Metody Doświadczalne Fizyki Jądrowej, PWN Warszawa 1980
5. D. Halliday, R .Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, tom 5, PWN Warszawa 2003
6. J. R.Taylor, Wstęp do analizy błędu pomiarowego, PWN Warszawa 1995
7. F. Kaczmarek (pod redakcją), II pracownia fizyczna, ćwiczenia laboratoryjne z fizyki
dla zaawansowanych, PWN Warszawa-Poznań 1976
8. Instrukcja obsługi radiometru uniwersalnego RUM, Polon Alfa Bydgoszcz
16