Relativní chybu veličiny τ lze určit pomocí relativní chyby τ 1. Zanedbáme-li chybu jmenovatele ve vzorci (2), platí *1+:

Podobné dokumenty
Charakteristika a mrtvá doba Geiger-Müllerova počítače

Graf I - Závislost magnetické indukce na proudu protékajícím magnetem. naměřené hodnoty kvadratické proložení. B [m T ] I[A]

Pravděpodobnostní charakter jaderných procesů

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Praktikum III - Optika

Tabulka I Měření tloušťky tenké vrstvy

Úloha 5: Spektrometrie záření α

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

1. Zadání Pracovní úkol Pomůcky

1. Stanovte a graficky znázorněte charakteristiky vakuové diody (EZ 81) a Zenerovy diody (KZ 703).

2 (3) kde S je plocha zdroje. Protože jas zdroje není závislý na směru, lze vztah (5) přepsat do tvaru:

2. Pomocí Hg výbojky okalibrujte stupnici monochromátoru SPM 2.

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení

2. Stanovte hodnoty aperiodizačních odporů pro dané kapacity (0,5; 1,0; 2,0; 5,0 µf). I v tomto případě stanovte velikost indukčnosti L.

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 11: Termická emise elektronů

Úloha 4: Totální účinný průřez interakce γ záření absorpční koeficient záření gama pro některé elementy

Vypracoval: Michal Bareš dne

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 3

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Praktikum IV

12. STUDIUM GEIGEROVA-MÜLLEROVA POČÍTAČE PRO ZÁŘENÍ GAMA

Fyzikální praktikum II

Úloha 8: Absorpce beta záření. Určení energie betarozpadu měřením absorpce emitovaného záření.

1. Zadání Pracovní úkol Pomůcky

Měření absorbce záření gama

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Nesamostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

1. Změřte průběh intenzity magnetického pole na ose souosých kruhových magnetizačních cívek

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace)

1. Proveďte energetickou kalibraci gama-spektrometru pomocí alfa-zářiče 241 Am.

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

PRAKTIKUM IV Jaderná a subjaderná fyzika

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 10 Název: Rychlost šíření zvuku. Pracoval: Jakub Michálek

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Praktikum z pevných látek (F6390)

1. Zadání Pracovní úkol

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

1. Paschenův zákon. p = A exp Bp )

Náhodné chyby přímých měření

1. Změřit metodou přímou závislost odporu vlákna žárovky na proudu, který jím protéká. K měření použijte stejnosměrné napětí v rozsahu do 24 V.

Náhodné (statistické) chyby přímých měření

Elektronické praktikum EPR1

Fyzikální praktikum...

pracovní list studenta

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Praktikum II Elektřina a magnetismus

2 Nd:YAG laser buzený laserovou diodou

Charakteristika datového souboru

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

Lineární regrese. Komentované řešení pomocí MS Excel

MĚŘENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

Spektrometrie záření gama

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.III. Název: Mřížkový spektrometr

Základním praktikum z laserové techniky

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

2. Pro každou naměřenou charakteristiku (při daném magnetickém poli) určete hodnotu kritického

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Senzory ionizujícího záření

Fyzikální praktikum II

DETEKCE IONIZAČNÍHO ZÁŘENÍ

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Samostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Laboratorní práce č. 2: Měření velikosti zrychlení přímočarého pohybu

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 11: Termická emise elektronů. Abstrakt

KGG/STG Statistika pro geografy

Příklady - Bodový odhad

Fyzikální praktikum III

Mechanické kmitání a vlnění, Pohlovo kyvadlo

Absorpční polovrstva pro záření γ

Referát z Fyziky. Detektory ionizujícího záření. Vypracoval: Valenčík Dušan. MVT-bak.

Praktikum II Elektřina a magnetismus

Fyzikální korespondenční seminář MFF UK

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

PRAKTIKUM IV Jaderná a subjaderná fyzika

Měření charakteristik fotocitlivých prvků

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřený předmětem jsou v tomto případě polovodičové diody, jejich údaje jsou uvedeny v tabulce:

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Abstrakt. fotodioda a fototranzistor) a s jejich základními charakteristikami.

4. Aplikace matematiky v ekonomii

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Experimenty s demonstračním zdrojem záření DZZ GAMA 300 kbq

Fyzikální praktikum I

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Studium fotoelektrického jevu

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

7 Hallůvjevvkovuapolovodiči

Měření zrychlení volného pádu

STATISTICKÉ CHARAKTERISTIKY

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Charakteristiky termistoru. stud. skup.

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

Theory Česky (Czech Republic)

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

Transkript:

Pracovní úkol 1. Změřte charakteristiku Geigerova-Müllerova detektoru pro záření gamma a u jednotlivých měření stanovte chybu a vyznačte ji do grafu. Určete délku a sklon plata v charakteristice detektoru a diskutuje přesnosti v určení těchto veličin. 2. Změřte mrtvou dobu detektoru metodou dvou zářičů a stanovte chybu měření. 3. Studujte počty naměřených impulsů v různých časových intervalech srovnejte jejich rozdělení s Poissonovým, respektive Gaussovým rozdělením. 4. Změřte intenzitu záření pro dvě různé vzdálenosti zářiče od detektoru a určete v obou případech dobu, po kterou je nutno měřit (intenzitu i pozadí), aby byla dosažena statistická přesnost 1 %. Teorie Geigerův-Mullerův detektor je plynovým detektorem. Je to výbojka, která pracuje nad prahem zapálení výboje. Detekované záření vybudí prvotní ionizaci, která dále zapříčiní lavinovitou ionizaci náboje výbojky a tedy v příslušném obvodu detekujeme silný proudový impulz. GM detektor však není schopen rozlišit energii ani druh původního dopadajícího záření. GM detektory se nejčastěji konstruují v koaxiálním uspořádání. Vnější válcová elektroda je katoda, v jejíž ose je umístěna anoda. Po dopadu ionizujícího záření vzniknou v detektoru kladný iont a záporný elektron. Ty se pohybují vlivem elektrického pole směrem k příslušným elektrodám. Elektrony v blízkosti anody jsou urychlovány silným elektrickým polem tak, že ionizují a excitují určitý počet atomů ve svém okolí. Touto ionizací vzniká promární lavina volných elektronů. Excitované atomy emitují při deexcitaci fotony, které při dopadu na katodu mohou produkovat fotoelektrony. Ty způsobují sekundární vlny elektronů při svém pohybu k anodě. Proud v detektoru tedy exponenciálně rste k maximu I m, kdy napětí na detektoru poklesne natolik, že už nejsou splněny podmínky pro existenci výboje. Četnost detekovaných pulzů je závislá na napětí U mezi elektrodami. Tato závislost se nazývá charakteristikou detektoru. Při moc nízkém napětí nevznikají v detektoru pulzy, při příliš vysokém naopak vznikají tzv. pulsy falešné. Charakteristika je znázorněna na obr.1. Obr.1 charakteristika GM detektoru Pracovní napětí je třeba volit uprostřed plata charakteristiky (oblast II na obr.1). Sklon plata a jeho délka vypovídá o kvalitě detektoru. Sklon by neměl přesahovat 3% na 1V a délka by měla být alespoň 1V, pak je detektor kvalitní. Mrtvá doba detektoru je doba, při které detektor není schopen zaznamenat další impulz, protože je v něm rozvinut ještě ten předchozí. K určení mrtvé doby použijeme metodu dvou zářičů. Změříme četnost pulzů pozadí n p1, pak dáme k detektoru první zářič a změříme četnost pulzů n 1. Aniž bychom prvním zářičem pohnuli, přidáme zářič druhý a změříme četnost n 12, dále četnost jen druhého zářiče n 2 a nakonec znovu pozadí n p2. Aritmetcký průměr hodnot n p1 a n p2 označíme n p. Mrtvá doba detektoru se pak spočte podle vztahu *1+: kde τ = τ 1 1 + τ 1 2 (n 12 n p ) (1) τ 1 = n 1+n 2 n 12 n p 2 n 1 n p (n 2 n p ) (2)

Relativní chybu veličiny τ lze určit pomocí relativní chyby τ 1. Zanedbáme-li chybu jmenovatele ve vzorci (2), platí *1+: η τ1 = σ τ1 τ 1 = n 1+n 2 +n 12 +n p n 1 +n 2 n 12 n p (3) Pravděpodobnost naměření počtu N částic je pro velké počty dána Poissonovým rozdělením [1]. μ N P N = N! e μ (4) kde μ je střední hodnota počtu naměřených částic za zvolený časový interval. Pro μ přechází v Gaussovo [1]. P N = 1 σ 2π e N μ 2 2σ 2 (5) kde pro statistický rozptyl platí σ 2 =μ. Chyba měření s Poissonovým rozdělením je: σ = N (6) kde N je počet naměřených impulzů. Někdy potřebujeme zjistit jak dlouhý časový úsek máme měřit, abychom dosáhli určité relativní chyby. Počet impulzů roste s časem lineárně, proto čas vynásobíme faktorem f vypočítaným ze vztahu: η = Nf+ N p f Nf N p f kde N je počet naměřených impulzů se zářičem, N p je počet naměřneých impulzů pozadí a η je požadovaná relativná chyba. Výsledky měření Nejprve jsem naměřila charakteristiku GM detektoru v rozmezí napětí U=27-464V. Je zanesena do Tabulky I a Grafu I. Čas detekování částic při jednom napětí byl t=4s. Chybu počtu naměřených částic jsem vypočetla podle vztahu (6). Tabulka I charakteristika GM detektoru U [V] N σ N U [V] N σ N 27 37 5293 73 278 378 5233 72 286 386 5322 73 294 4947 7 394 5278 73 32 5466 74 4 5416 74 31 5498 74 48 537 73 318 5297 73 416 5335 73 326 9149 96 424 5347 73 33 744 84 432 5497 74 338 5221 72 44 5364 73 346 528 72 448 5487 74 354 5295 73 456 5525 74 362 5229 72 464 5439 74 V Grafu I je zanesena závislost počtu detekovaných částic na napětí. Dále také lineární proložení plata charakteristiky. Rovnice tohoto fitu je N=aU+b, kde a=(2,289 ±,3232)V a b=(4459,1 ± 13,2). Pokud získanou hodnotu parametru a vydělíme 4ti, získáme směrnici přímky pro závislost četnosti detekovaných částic za 1s na napětí. Z toho vypočteme sklon plata s=(3,2 ±,5)%. Délku plata bohužel nelze přesně určit, protože maximální povolené napětí při měření bylo pouze U=46V. Při tomto napětí jsme však v charakteristice stále v oblasti plata. Můžeme tedy pouze říct, že plato má délku větší než 126V. (7)

N Graf I - Charakteristika GM detektoru 1 9 8 proložení linerání fit plata 7 6 5 4 3 2 1 28 3 32 34 36 38 4 42 44 46 Pro další měření jsem používala pracovní napětí U=4V. Mrtvou dobu detektoru jsem naměřila metodou dvou zářičů. Získané hodnoty počtu detekovaných částic a četností detkovaných částic za 1s jsou uvedeny v Tabulce II. Doba jednoho měření byla t=4s. Tabulka II Mrtvá doba detektoru N σ N n [s -1 ] σ n [s -1 ] pozadí 1 868 29 2,17,7 zářič 1 4324 27 17,6,5 zářič 12 76417 276 191,,7 záříč 2 39592 199 99,,5 pozadí 2 864 29 2,16,7 pozadí průměr 866 21 2,17,5 Podle vztahů (1) a (2) jsem pak určila mrtvou dobu detektoru τ. τ=(,69 ±,2).1-3 s Pomocí počítačového programu, který byl k dispozici u úlohy jsem změřila histogram počtu impulzů zaznamenaných v pěti různých časových intervalech. Naměřené závislosti jsem vynesla do grafů II-VI. Dále jsou v nich uvedeny křivky Poissonova a Gaussova rozdělení, s kterými závislost srovnávám. Srovnání s Poissonovým rozdělením provedl počítač v praktiku přímo při měření. jsem nechala fitovat programem Gnuplot podle vztahu (5). Parametry rozdělení jsou uvedeny v Tabulce III. Jako μ je označena střední hodnota daného rozdělení, ρ je pak jeho rozptyl. Chyby fitovaných parametrů jsou označeny jako σ. Tyto chyby jsou pouze chybami fitu. Při měření byl vzorek umístěn do takové vzdálenosti od detektoru, aby četnost impulzů 4 detekcí za 1s. U [V]

Č e tn o s t Č e tn o s t Tabulka III Parametry rozdělení Δt *ms+ μ P [V] σ μp [V] μ G [V] σ μg [V] ρ G [V] σ ρg [V] 3 1,29,5 1,3,2 1,9,3 5 2,7,1 1,82,7 1,45,8 1 4,1,8 3,69,8 1,87,8 8 31,9,1 31,7,3 5,8,3 1 4,2,2 39,8,3 6,7,3 35 3 Graf II - Histogram četnosti detekovaných částic pro časový interval 3ms 25 2 15 1 5 2 4 6 8 1 12 25 2 Graf III - Histogram četnosti detekovaných částic pro časový interval 5ms 15 1 5 2 4 6 8 1 12

Č e tn o s t Č e tn o s t Č e tn o s t 16 14 Graf IV - Histogram četnosti detekovaných částic pro časový interval 1ms 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 3 25 Graf V - Histogram četnosti detekovaných částic pro časový interval 8ms 2 15 1 5 35 3 1 2 3 4 5 6 Graf VI - Histogram četnosti detekovaných částic pro časový interval 1ms 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8

V posledním úkolu jsem změřila intenzitu záření pro dvě různé vzdálenosti zářiče od detektoru. Měření probíhalo vždy po dobu 4s. Počet impulzů pozadí jsem použila z měření úkolu 2, taktéž intenzitu záření pro nulovou zdálenost zářiče od detektoru. Vypočítala jsem faktor f ze vzorce (7), kterým je potřeba vynásobit dobu měření, abychom dosáhli chyby menší než η=1%. Potřebná doba je uvedena v Tabulce IV. Tabulka IV Čas t potřebný k měření, abychom dosáhli chyby η=1% při vzdálenosti vzorku d d [cm] σ d [cm] N σ N N pozadí σ Npozadí t [s] σ t [s] 4324 27 866 21 126 1 2,2,2 1834 14 866 21 72 2 4,5,2 6982 84 866 21 137 5 Diskuze Při proměřování charakteristiky detektoru jsem zvolila nejmenší možný krok 8V. Tento krok je dostatečně malý na určení sklonu charakteristiky a délky plata. Jak je vidět z Grafu I, v okolí napětí U=33 V je maximum, o kterém teorie nic neříká. Má hypotéza je, že by to mohlo být způsobeno tím, že do tohoto napětí nevznikají v detektoru žádné výboje, ale záření tam stále posíláme. Tedy mohou být v náplni detektoru přítomny nějaké volné ionty. Ty by mohly zapříčinit lavinový výboj při dalším zvyšování napětí. Sklon plata jsem určila jako s=(3,2 ±,5)%. V rámci zjištěné chyby tento sklon odpovídá kvalitnímu GM detektoru, jak je popsán v *1+. Délku plata nebylo možné zcela určit. Při povoleném maximum napětí jsme stále v oblasti plata charakteristiky, tedy nemůžeme určit, kde je jeho konec. Lze pouze říct, že plata je delší než 126V. Při určování mrtvé doby detektoru jsme dosáhli relativně dobré chyby měření. Relativní chybu τ 1 jsem vypočítala pomocí vztahu (3). Relativní chyby četností určíme z chyby Poissonova rozdělení. Ze známé relativní chyby τ 1, n 12 a n p jsem pak pomocí vztahů uvedených v (*2+, seminar 1) určila výslednou chybu mrtvé doby τ. Histogramy počtu detekovaných částic za pět různých časových intervalů jsou uvedeny v Grafech II VI. Jak je z nich vidět, při kratších časových intervalech se naměřená závislost blíží spíše Poissonovu rozdělení, ale pro intervaly t=8s a t=1s tato dvě rozdělení téměř splývají. Mělo by tady také platit pro σ 2 =μ. V tabulce IV jsou shrnuty výsledky posledního měření. Abychom dosáhli relativní chyby měření η=1%, museli bychom dobu měření zvýšit - pro zářič vzdálený 4,5cm dokonce na 137s. Toto není z časových důvodů v praktiku možné. Toto velké navýšení je dáno zejména Poissonovým rozdělením. Pokud chceme přesnost zdvojnásobit, musíme naměřit čtyřikrát více hodnot. Závěr Změřili jsme charakteristiku GM počítače. Je zobrazena v Grafu I. Délka plata je l 126 V, jeho sklon jsme zjistili jako s=(3,2 ±,5)%. Podle kritérií uvedených v *1+ je možné považovat použitý detektor za kvalitní. Stanovili jsme mrtvou dobu detektoru a její chybu τ=(,69 ±,2).1-3 s. Proměřili jsme histogramy počtu detekovaných částic za jednotku času Δt, pro pět různých časových úseků. Výsledky měření i srovnání s Poissonovým a Gaussovým rozdělením jsou znázorněny v Grafech II VI. Změřili jsme intenzitu záření pro tři různé vzdálenosti zářiče od detektoru. Abychom dosáhli chyby měření η=1%, musíme při nulové vzdálenosti zářiče detektovat záření po dobu t cm =(126 ± 1)s, při vzdálenosti 2,2 cm je nutná doba detekce t 2,2cm =(72 ± 2)s a pro vzdálenost 4,5cm je tato doba t 4,5cm =(137 ± 5)s. Použitá literatura [1] http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/ - studijní text k úloze [2] http://physics.mff.cuni.cz/kfnt/index.htm - Jakub Čížek, Úvod do praktické fyziky