Úloha 7: Spektrum záření gama; rentgenová fluorescenční spektroskopie

Transkript

1 Úloha 7: Spektrum záření gama; rentgenová fluorescenční spektroskopie FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE Datum měření: Jméno: František Batysta Pracovní skupina: 5 Ročník a kroužek: 2. ročník, pond. odp. Spolupracovník: Štěpán Timr Hodnocení: Abstrakt V této úloze jsme se seznámili se scintilačním detektorem, jednokanálovým a multikanálovým analyzátorem. Změřili jsme spektra zářičů 137 Cs, 6 Co a neznámého zářiče. Dále jsme měřili spektrum 137 Cs v přítomnosti olověné destičky. Ukázali jsme, že neznámý zářič je 22 Na. 1 Úvod Při radioaktivním rozpadu prvků dochází ke vzniku vysoce energetického elektromagnetického záření. Zatímco Geiger-Müllerovy detektory umožňují měřit pouze celkový úhrn ionizujícího záření, scintilační detektory jsou schopny rozpoznat i energie příslušné jednotlivým fotonům. Ze spekter gama záření lze určit zastoupení jednotlivých prvků a jejich množství ve zdroji. Podobně budeme postupovat i my. Nejprve zkalibrujeme detektor pomocí dvou známých zdrojů, abychom pak mohli identifikovat zdroj neznámý. 2 Pracovní úkoly 1. Pozorujte osciloskopem impulsy přiložených zářičů na výstupu jednokanálového spektrometru. Pokuste se odhadnout tvar spektra.(osciloskop ukazuje tvary a amplitudy jednotlivých pulsů. Počet pulsů je dán intenzitou barvy a energie výškou impulsu.) 2. Naměřte spektrum impulsů 137 Cs pomocí manuálního měření. Okno volte o šířce 1mV. Zpracujte hodnoty do grafu. 3. Naměřte spektrum impulsů 137 Cs pomocí mnohokanálového analyzátoru. Dobu měření volte alespoň 4s. Přiložte graf a porovnejte s předchozími dvěma metodami. 4. Zkalibrujte osu 3 bodovou kalibrací pomocí dvojice zářičů 137 Cs + 6 Co. 5. Změřte spektra všech přiložených zářičů (kromě neznámého) multikanálovým analyzátorem a proved te určení poloh hlavních píků. Dobu měření volte alespoň 4s. Grafy přiložte do protokolu. 6. Určete neznámý zářič zjištěním polohy hlavního píku a porovnáním s tabulkou. 7. Pomocí rentgenové fluorescenční spektroskopie určete spektrum zářiče v přítomnosti olova, zlata a wolframu. Určete hodnoty K α a porovnejte je s tabulkou. Doporučuji použít cesium nebo kobalt. 8. Změřte radiační pozadí v místnosti(zářiče je třeba dát do trezoru). Okomentujte, zda má šum vliv na tvar vámi změřených spekter. 9. Určete rozlišovací schopnost spektrometru pro energii spektrální čáry 137 Cs(viz poznámky). Volitelně: 1. Určete složení přinesených kovových předmětů(řetízek, prstýnek...) pomocí XRF. Citlivost detektoru je taková, že hodnoty K α < 5keV jsou překryty elektronickým šumem a tedy je třeba brát předměty složené z materiálů s vyšším K α. 11. Naměřte integrální spektrum 6 Co pomocí jednokanálového analyzátoru a přiložte graf. 1

2 3 Pomůcky Scintilační detektor, zdroj vysokého napětí NL241, jednokanálový analyzátor PHYWE, čítač impulsů NL231, multikanálový analyzátor PHYWE, osciloskop, osobní počítač, zdroje gama záření, USB link PASCO 21, materiály pro rentgenovou fluorescenci - Pb, program pro datový sběr Data Studio, program MEASURE. 4 Základní pojmy a vztahy 4.1 Zdroj záření Vysokoenergetické záření vzniká rozpadem tzv. radionuklidů nestabilních jader atomů mající schopnost se samovolně přeměnit v jiné prvky. Nově vzniklé jádro bývá velmi často v excitovaném stavu. Při přechodu zpět do základního stavu dojde k uvolnění přebytečné energie ve formě gama fotonu (obr. 1). Úbytek radioaktivních částic v zářiči se přitom řídí zákona rozpadu N t = N e λt, (1) kde λ je střední pravděpodobnost rozpadu (rozpadová konstanta). Ta je k poločasu rozpadu vázána vztahem λ = ln 2. (2) T 1 2 Obrázek 1: Schéma rozpadu radionuklidu (β ± + γ, resp. α + γ zářič) 4.2 Průchod záření látkou Gama záření může interagovat s látkou třemi základními způsoby, které jsou schématicky uvedeny na obrázku 2. Jsou to Comptonův rozptyl: Odpovídá pružné srážce fotonu a elektronu. Foton předá část své energie elektronu a pokračuje jiným směrem s nižší energií. Fotoefekt: Foton předá veškerou svou energii elektronu, který touto srážkou urychlen pokračuje s kinetickou energií rovnou energii fotonu zmenšenou o energii vazebnou. Generace elektron/pozitronového páru: Má-li γ foton dostatečně vysokou energii (E > 2m e c 2 ), může při průletu kolem jádra dojít ke vzniku elektron-pozitronového páru. Pozitron pak okamžitě anihiluje s některým z elektronů za vzniku dvou fotonů γ o charakteristické energii 511 kev. 2

3 5 Experimentální uspořádaní Obrázek 2: Druhy interakce gama záření s hmotou. K detekci gama fotonů využíváme scintilační detektory. Schéma scintilačního detektoru je na obrázku 3. Gama záření je detekováno scintilátorem (monokrystal NaI(Tl)), což je látka schopná přeměnit gama Obrázek 3: Schéma scintilačního detektoru. záření ve světelné záblesky. Ty pak dopadají na fotokatodu, kde uvolní elektrony. Kaskáda dynod pak zesílí proud elektronů natolik, aby jej bylo možné detekovat jako napět ový puls. Počet uvolněných elektronů je úměrný energii gama fotonu. Můžeme tedy rozlišovat gama fotony podle jejich energie a studovat tak jejich spektrum. Jednokanálový, resp. multikanálový analyzátor slouží k analýze napět ových pulzů z fotonásobiče. Umožňuje nastavit napět ový interval (tzv. okno) tak, že čítač impulzů ukazuje počet pulzů v daném napět ovém intervalu za sekundu. Multikanálový analyzátor zpracovává navíc všechna okna současně. Tak jsme dostaneme spektrum příslušného zářiče. 6 Výsledky 6.1 Vizuální měření Nejprve jsme osciloskopem pozorovali impulzy, které se objevovaly v rychlém sledu. Osciloskop zobrazoval jednotlivé napět ové pulzy, jejichž výška byla úměrná energii gama záblesku. Načtrnuté odhady spekter najdete v příloze. 3

4 6.2 Manuální měření Pomocí jednokanálového analyzátoru jsme manuálně měřili zářič 137 Cs. Okno bylo nastaveno na 1 mv. Napětí detektoru jsme nastavili na 8 V. Nabírání dat trvalo pro každé okno 1 s. Kalibrace energií je popsána v odstavci Výsledek měření je vynesen v grafu Cs kev Obrázek 4: Spektrum zářiče 137 Cs, manuální měření. 6.3 Automatické měření Po dohodě s panem asistentem jsme automatická měření prováděli pouze pomocí multikanálového analyzátoru Kalibrace Jednotlivým napět ovým kanálům je třeba přiřadit energie příslušné detekovanému fotonu gama. To jsme provedli pomocí tří známých (tabelovaných) píků kombinovaného zářiče 137 Cs + 6 Co. Středy píků jsme určili proložením píku Gaussovou funkcí. Volili jsme kvadratickou kalibraci Lagrangeovým polynomem druhého stupně. Data použitá pro převod z čísla kanálů na energii jsou v tabulce 1. zářič kanál E tab [kev] 137 Cs Co Co Tabulka 1: Kalibrace energií Spektrum 137 Cs, 6 Co Změřili jsme spektra zářičů 137 Cs, 6 Co. Pro dosažení hladšího spektra jsme signál průměrovali vždy přes 1 kanálů. Napětí na fotonásobiči jsme ponechali na 8 V. Naměřená spektra s vyznačenými píky jsou vynesena v grafech 5 a 6. 4

5 12 1 Ba 32.2 kev Cs kev Obrázek 5: Spektrum zářiče 137 Cs, automatické měření Co kev Co kev Obrázek 6: Spektrum zářiče 6 Co, automatické měření Neznámý zářič Podobně jako předchozí zářiče jsme změřili i neznámý zářič, jehož spektrum je na obr. 7. Menší pík vpravo dobře odpovídá svou energií 1295 kev radionuklidu 22 Na (tabulkově 1275 kev). Energie velkého píku (538 kev) pravděpodobně odpovídá anihilaci elektron-pozitronového páru (tabulkově 511 kev). 5

6 25 e+/e- 511 kev Na kev Obrázek 7: Spektrum neznámého zářiče Fluorescenční spektroskopie Zjišt ovali jsme, jaký vliv na měřené spektrum má přítomnost olověné destičky mezi zdrojem a detektorem. Očekávali jsme rentgenový fluorescenční pík příslušející olovu o energii 75. kev. Pro excitaci fluorescence jsme použili cesiový zářič. Hledaný fluorescenční pík olova jsme ve fluorescenčním spektru rozeznali a vyznačili v grafu 8. Podle naší kalibrace mu odpovídá energie 117 kev. Při nízkých hodnotách energie předpokládáme velkou chybu kalibrace z důvodu vzdálené extrapolace. Proto označujeme píky raději jejich tabulkovými energiemi Pb 75. kev Cs kev Obrázek 8: Fluorescenční spektrum olova buzené cesiovým zářičem. 6

7 Fluorescenční spektra dalších materiálů jsme po dohodě s panem asistentem neměřili Měření pozadí Měření záření na pozadí probíhalo za stejných podmínek jako předchozí měření. Zářiče byly přitom schovány za olověnou cihličkou. Průběh signálu na pozadí je vynesen v grafu Obrázek 9: Měření záření na pozadí. V tabulce 2 jsou shrnuty energie všech námi naměřených píků. zářič pík E tab [kev] Cs Cs Co Co Co Co Cs Pb Cs Na Cs e+/e Tabulka 2: Naměřené píky porovnané s tabulkovými hodnotami 7 Diskuse 7.1 Manuální měření Nijak nepřekvapilo, že manuální měření bylo časově nejnáročnější a zároveň nejméně přesné. Přesto však dává poměrně dobré výsledky a vizuální rozdíl grafů 4 a 5 není velký. Počet záblesků v jednom okně je však v případě automatického měření asi 1 krát větší. Uvědomíme-li si že šířka okna je v případě automatického měření jemnější, lze celkově považovat automatické měření za o řád přesnější, než manuální. 7

8 7.2 Kalibrace Při našich výpočtech jsme prováděli kvadratickou kalibraci pomocí tří definovaných energií. Kdybychom použili lineární kalibraci, dostali bychom některé energie záporné, což nedává smysl. Nejlepší by bylo použít ke kalibraci nějaký pík s nízkou energií - např. fluorescenci olova - interpolace je obecně přesnější, než extrapolace. 7.3 Rozlišení detektoru Tvar spektra ovlivňuje významně rozlišovací schopnost detektoru. V případě píku 137 Cs je rozlišovací schopnost přibližně 1%. To může způsobit, že některé slabší (ve skutečnosti diskrétní) spektrální splynou v jediný pík, nebo nebudou vůbec zaznamenány. 7.4 Polohy píků Přesnost určení našich píků závisí především na provedené kalibraci. Vzhledem ke způsobu kalibrace je zřejmé, nějvětší odchylka od tabulkových hodnot se vyskytla u píků s nízkými energiemi. Vliv na přesnost měření mohla mít případná nestálost vysokého napětí přiváděného na fotonásobič. Polohy píku se však během měření příliš neposouvaly. 7.5 Pozadí signálu Jak je vidět na obrázku 9, signál na pozadí ovlivnil tvary našich spekter v oblasti nízkých energií. Významnější podíl na tvaru spektra má především u slabších zářičů (např. 6 Co, neznámý zdroj). Pozad ový signál je poměrně hladký, polohy píků by se jeho vlivem neměli příliš měnit. 8 Závěr Změřili jsme gama spektrum 137 Cs, 6 Co zářiče. Jako neznámý zářič jsme stanovili 22 Na, kde jeden z píků byl způsoben generací elektron pozitronového páru. Rozeznali jsme fluorescenční pík olova o energii 117 kev buzený zářičem 137 Cs. Podstatný vliv na výsledky našeho měření měla kalibrace, kde docházelo k daleké extrapolaci. Reference [1] FJFI ČVUT, Sspektrum gama záření;rentgenová fluorescenční spektroskopie, [online], [cit. 16. března 21], [2] FJFI ČVUT: Chybměření a zpracování naměřených výsledků [online], [cit. 16. března 21], [3] WWW, Table of Radioactive Isotopes,[online], [cit. 16. března 21], 8