eriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate.

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "eriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate."

Reijo Salo
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 5: RADOAKTVSUUSTYÖ Teoriaa Radioaktiivista säteilyä syntyy, kun radioaktiivisen aineen ytimen viritystila purkautuu Tuloksena voi olla sähkömagneettista säteilyä tai hiukkassäteilyä Hiukkassäteilyssä jonkin alkuaineen ydin (nk emoydin) muuttuu toisen alkuaineen ytimeksi (nk tytärydin) Alfahajoamisessa emoytimestä irtautuu 4 2 He -ydin eli α-hiukkanen Beetahajoamisessa puolestaan irtaantuu joko elektroni (β - -hajoaminen) tai positroni (β + - hajoaminen) Radioaktiivisessa säteilyssä ydin voi lähettää myös γ-säteilyä (hyvin lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä): monesti ydin jää hajoamisen jälkeen virittyneeseen tilaan, jolloin viritys purkaantuu γ-säteilynä Säteilyn ilmaisimia on monia eri tyyppejä, mutta kaikissa on sama toimintaperiaate: säteily vaikuttaa väliaineeseen ja säteilyn ja väliaineen vuorovaikutuksesta seuraa mitattava tai havaittava signaali Korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily tai varautuneet hiukkaset pystyvät ionisoimaan väliainetta, mihin perustuu mm geigerilmaisimen toiminta Geigerilmaisin A eriste C K R vahvistimeen Kuva 1 Geigerilmaisimen periaate Geigerilmaisimessa on kaasutäytteisessä putkessa keskellä ohut anodilanka ja ympäröivä vaippa toimii katodina Kun kaasuatomit ionisoituvat säteilyn vaikutuksesta, kulkeutuvat ne joko anodille (A) tai katodille (K) varauksen merkistä riippuen Anodin ja katodin välillä on niin korkea jännite, että signaalina saatava jännitepulssi on aina samansuuruinen riippumatta tulevan hiukkasen energiasta Syntyy virtapulssi, joka aiheuttaa jännitepulssin vastuksen R päiden välille Piirissä, jonka muodostavat jännitelähde, vastus ja putki, jännitepulssi vastuksen päiden välillä aiheuttaa jännitteen laskun anodin (A) ja katodin (K) välillä ja purkaus päättyy Putki soveltuu siten hyvin hiukkasten tai γ- kvanttien lukumäärän laskemiseen (Jatkuvan purkauksen estämiseksi on putken jalo-

emoytimestä irtautuu 4 2 He -ydin eli α-hiukkanen Beetahajoamisessa puolestaan irtaantuu joko elektroni (β - -hajoaminen) tai positroni (β + - hajoaminen) Radioaktiivisessa säteilyssä ydin voi

2 2 kaasutäytteeseen lisätty sammuttaja-ainetta, esimerkiksi alkoholia) Geigerilmaisin pystyy rekisteröimään uuden hiukkasen tai säteilykvantin vasta tietyn ajan kuluttua, jota sanotaan hukka-ajaksi τ Laskentataajuus (n) riippuu jännitteestä (U) kuvassa 2 esitetyn käyrän mukaisesti Geigerputken jännitettä nostettaessa pulsseja alkaa esiintyä vasta ylitettäessä putkelle ominainen ns syttymisjännite U o Käyrässä on välillä U 1 U 2 putken tasanne eli ns platooalue, jolla alueella pulssitaajuus on lähes jännitteestä riippumaton Toimintapiste valitaan tavallisesti tasanteen keskivaiheilta, jolloin jännitteen muutos on merkityksetön Hukka-ajan τ johdosta geigerilmaisin ei kykene rekisteröimään kaikkia putkeen saapuvia hiukkasia tai säteilykvantteja Olkoon putkeen aikayksikössä tulevien hiukkasten tai säteilykvanttien määrä N lmaisin rekisteröi niistä n kappaletta Kun hukka-aika on τ, on ilmaisin yhden aikayksikön (sekunnin) aikana kykenemätön laskemaan ajan nτ, missä ajassa rekisteröimättömiä pulsseja on Nnτ kappaletta Toisaalta Nnτ = N - n, mistä saadaan (1) n N = 1 nτ n N 2 N N 1 U o U 1 U 2 U Työn suoritus ja tulosten laskenta Putken ominaiskäyrä Kuva 2 Geigerputken ominaiskäyrä - Ominaiskäyrän määrityksessä käytetään säteilylähdettä 3 µg Ra - Haetaan syttymisjännite U o nostamalla hitaasti putken jännitettä ja seuraamalla, milloin laskuri alkaa laskea - Määritettäessä ominaiskäyrää käydään läpi työvuoron aikana ilmoitettavat jännitteet - Valitaan laskenta-ajaksi 10 s ja sama mittaus tehdään aina 10 kertaa Lasketaan keskiarvot mittaussarjoista

U o Käyrässä on välillä U 1 U 2 putken tasanne eli ns platooalue, jolla alueella pulssitaajuus on lähes jännitteestä riippumaton Toimintapiste valitaan tavallisesti tasanteen keskivaiheilta, jolloin

3 3 - Kun pulssimäärä jaetaan mittausajalla, saadaan laskentataajuus n, jolloin n:n yksiköksi tulee pulssia/s Näiden mittausten perusteella työselostuksessa esitetään graafisesti laskentataajuus n jännitteen U funktiona, jolloin saadaan kuvan 2 mukainen käyrä Tasanteen kaltevuus (eli putken hyvyysluku) lasketaan kuvan 2 merkintöjä käyttäen kaavasta (2) f ( N N ) % = ( U U )N 2 1 Putken hukka-aika - Hukka-ajan määrityksessä toimintajännite valitaan tasanteen keskivaiheilta ja menetellään seuraavasti: 1 Mitataan säteilylähteellä A (3 µg Ra) pulssimäärä (laskenta-aika 60 s) 5 kertaa ja lasketaan keskiarvo mittaussarjasta Saadaan laskentataajuus n A 2 Lisätään lyijylinnaan säteilylähde B (10 µg Ra) ja suoritetaan molempien säteilylähteiden ollessa paikoillaan (= 13 µg Ra) vastaavat mittaukset kuin edellä Saadaan laskentataajuus n AB 3 Poistetaan lyijylinnasta säteilylähde A ja suoritetaan mittaukset säteilylähteellä B (10 µg Ra) kuten edellä Saadaan laskentataajuus n B 4 Poistetaan lyijylinnasta viimeinenkin säteilylähde ja mitataan taustasäteily n 0 Myös taustasäteilyn mittauksessa tehdään 5 mittauksen sarja Lasketaan keskiarvo, joka vähennetään mittaustuloksista (keskiarvoista) - Hukka-aika lasketaan mitatuista laskentataajuuksista n A, n B, n AB ja n 0 käyttäen kaavaa na + nb nab n0 (3) τ = 2 n n n n ( ) A B 0 AB Gammasäteilyn absorptio Gammasäteilyn kulkiessa väliainekerroksen x läpi se heikkenee kaavan (4) = 0 e µ x mukaisesti Jos säteilyn intensiteetti ennen väliainetta on 0 ja väliainekerroksen paksuus on x, on intensiteetti väliaineen jälkeen Suure µ on aineelle ominainen absorptiokerroin (matkavaimennuskerroin) Sitä kerrospaksuutta, jolla säteilyn intensiteetti pienenee puoleen alkuperäisestä arvosta 0, kutsutaan puoliintumiskerrokseksi Työssä tutkitaan gammasäteilyn absorptiota väliaineessa Määritetään µ ja puoliintumiskerros x 1/2 Mittauksissa detektorina on geigerputki ja siihen liittyvä laskentayksikkö

hukka-aika - Hukka-ajan määrityksessä toimintajännite valitaan tasanteen keskivaiheilta ja menetellään seuraavasti: 1 Mitataan säteilylähteellä A (3 µg Ra) pulssimäärä (laskenta-aika 60 s) 5 kertaa

4 4 Käytetään Ra-säteilylähdettä Kuvassa 3 on esitetty 226 Ra::n hajoamiskaavio, josta nähdään gammasäteilyn syntyminen (sotoopin 228 Ra radioaktiivisessa hajoamisessa syntyy β - säteilyä (puoliintumisaika 6,7 a )) 226 Ra α ( 4, 685 MeV ) α ( 4, 871 MeV ) 222 Rn γ ( 0, 186 MeV ) 222 Rn Kuva Ra:n hajoamiskaavio Koska hiukkassäteily pysähtyy jo yhteen työssä käytettävään levyyn ja gammasäteily menee suurimmaksi osaksi läpi, voidaan gammasäteilyn absorptiota tutkia valitsemalla intensiteetiksi 0 se arvo, mikä on mennyt läpi yhdestä levystä Vastaavasti tuloksia laskettaessa tämä arvo vastaa paksuutta x = 0 Työn suoritus ja tulosten laskenta - Mitataan geigerlaskurin avulla pulssimäärä, kun Ra-säteilylähde on lyijylinnassa ja tämän päälle on asetettu yksi levy Valitaan laskenta-ajaksi esim 10 sekuntia ja suoritetaan sama mittaus 10 kertaa Tuloksia laskettaessa mittaussarjan keskiarvo vastaa yhtä tapausta - Lisätään levyjä yksi kerrallaan ja jokaisesta tapauksesta tehdään 10 mittauksen sarja - Edellä mitattu taustasäteilyyn liittyvä pulssimäärä (keskiarvo mittaussarjasta) vähennetään jokaista levymäärää vastaavasta pulssimäärästä (mittaussarjan keskiarvosta) - Lasketaan jokaista levymäärää vastaavasta tapauksesta ln(/ 0 ) ja kokonaiskerrospaksuus x - Työselostuksessa esitetään graafisesti ln(/ 0 ) kerrospaksuuden x funktiona Matemaattinen kaava edellyttää suoraviivaista riippuvuutta Johtuen siitä, että radioaktiivinen hajoaminen on umpimähkäinen tapahtuma, yksittäiset havaintopisteet voivat poiketa suoralta huomattavasti Tästä huolimatta graafiseen esitykseen lisätään regressiosuora ja määritetään suoran kulmakerroin Suora on laskeva ja sen kulmakerroin -a on matkavaimennuskerroin -µ, koska = e ln = µ x µ x 0 0 Työssä lasketaan myös puoliintumiskerroksen arvo kaavasta x 1/2 = ln2/µ

gammasäteily menee suurimmaksi osaksi läpi, voidaan gammasäteilyn absorptiota tutkia valitsemalla intensiteetiksi 0 se arvo, mikä on mennyt läpi yhdestä levystä Vastaavasti tuloksia laskettaessa tämä

5 5 Lopputulokset Lopputuloksina esitetään: 1 Geigerputken hyvyysluku 2 Putken hukka-aika 3 Väliaineen matka-absorptiokerroin ja puoliintumiskerros

6 6 Oulun Seudun Ammattikorkeakoulu MTTAUSPÖYTÄKRJA LABORATOROTYÖ 5 RADOAKTVSUUSTYÖ Ryhmä: Pvm: Laatija: Työn ohjaaja: Käytetyt välineet: Mittaustulokset Syttymisjännite U o hukka-aika (t=60 s) absorptio (t=10 s) n A n AB n B n 0 0 levy 1 levy 2 levyä 3 levyä 4 levyä 5 levyä n n n n n n ka ka ka ka n A = n AB = n B = n 0 = ka ka ka ka ka ka τ= x 0 =0 mm x 1 = x 2 = x 3 = x 4 = x 5 =

s) absorptio (t=10 s) n A n AB n B n 0 0 levy 1 levy 2 levyä 3 levyä 4 levyä 5 levyä n n n n n

Samankaltaiset tiedostot

Radioaktiivisen säteilyn läpitunkevuus. Gammasäteilty.

Fysiikan laboratorio Työohje 1 / 5 Radioaktiivisen säteilyn läpitunkevuus. Gammasäteilty. 1. Työn tavoite Työn tavoitteena on tutustua ionisoivaan sähkömagneettiseen säteilyyn ja tutkia sen absorboitumista