Tyypillinen energia. matka vedessä +2e MeV 2 10 cm μ. -e 0, MeV 0 10 cm 0 15 mm Mev cm 0 1 m

Transkriptio

1 GEIGERPUTKI 1 TEORIAA 1.1 Radioaktiivinen säteily Radioaktiivinen säteily on hiukkassäteilyä (esim. -, - ja neutronisäteilyä) tai sähkömagneettista eli -säteilyä. Säteilyhiukkaset ovat joko varattuja tai varauksettomia (neutronit). Niitten nopeus vaihtelee nollan ja valon nopeuden välillä. Sähkömagneettinen säteily etenee energiakvantteina eli fotoneina valon nopeudella. Säteilyn vaikutus aineeseen ja sen tunkeutumissyvyys riippuu aineen laadun lisäksi ratkaisevasti sekä säteilyn lajista että sen energiasta. Oheisessa taulukossa on eräitä em. säteilylajien ominaisuuksia. Säteilyn laji Varaus Suht. lepomassa Tyypillinen energia Keskimääräinen ilmassa matka vedessä +2e MeV 2 10 cm μ -e 0, MeV 0 10 cm 0 15 mm Mev cm 0 1 m kev 10 MeV 1 cm 100 m 1 mm 10 cm 1.2 Ionisaatioilmaisimet Vanhin ja vielä yleisesti käytetty tapa röntgen- ja radioaktiivisen säteilyn havaitsemiseksi perustuu säteilyn kykyyn ionisoida erilaisia kaasuja. Tämän tyyppisen ilmaisimen periaate on esitetty kuvassa 1. K (katodi) on maadoitettu sylinteri, jonka akselilla olevalle sylinteristä eristetylle langalle A (anodi) tuodaan positiivinen jännite, vastuksen R kautta. Lanka on yhdistetty kondensaattorin C avulla elektrometriin, vahvistimeen tms. Kun ionisoiva säteily läpäisee kammion, se irrottaa elektroneja täytekaasun atomeista. Syntyneet elektronit vaeltavat kohti lankaa ja positiiviset ionit kohti sylinterin seinämiä sähkökentän vaikutuksesta. Kun jännite on sopivan suuruinen, liikkuvat ionit sylinterin seinämille tarpeeksi nopeasti, joten rekombinoitumista (uudelleensitoutumista) ei ehdi tapahtua. Toisaalta ne eivät myöskään saavuta vielä niin suuria nopeuksia, että ne pystyisivät ionisoimaan lisää kaasumolekyylejä. Syntyvä sähkömäärä on täten verrannollinen sylinteriin tulleeseen säteilyenergiaan ja sähkövirta vastaavasti säteilyenergiaan aikayksikössä. Näissä olosuhteissa toimivia ilmaisimia sanotaan ionisaatiokammioiksi. Kun jännitettä suurennetaan, pystyvät primäärisen säteilyn synnyttämät ionit itse aiheuttamaan lisää ionisoitumista. Sähkövirta ja vastuksessa R syntyvä jännitepulssi kasvavat, mutta ovat edelleen verrannollisia alkuperäiseen ionisaatioon ja siis myös primäärisen säteilyn

2 sylinterissä menettämään energiaan. Vahvistamalla jännitepulssi lineaarivahvistimella ja viemällä se sen jälkeen pulssinkorkeusanalysaattorin kautta laskuriin saadaan ilmaisin, jolla voidaan todeta saapuneiden primääristen hiukkasten tai kvanttien lukumäärä ja lisäksi mitata niiden energia. Tällaisia ilmaisimia kutsutaan verrannollisuuslaskureiksi. K A C Vahv. Laskuri R - + U Kuva 1. Ionisaatioilmaisimen periaate. Jännitettä edelleen suurennettaessa primäärisen säteilyn synnyttämät ionit aiheuttavat itse yhä enemmän ionisoitumista, virta ja jännitepulssi kasvavat voimakkaasti ja riippuvuus alkuperäisestä ionisaatiosta pienenee ja häviää lopuksi kokonaan. Kaikki jännitepulssit tulevat yhtä suuriksi. Ilmaisinta voidaan käyttää nyt vain saapuneitten hiukkasten tai kvanttien lukumäärän toteamiseen. Geigerputket toimivat tällä jännitealueella. 1.3 Geigerputken toiminta Geigerputkeen (kuva 1) saapuva säteilyhiukkanen tai kvantti saa aikaan ionivyöryn ja samalla positiivisten ionien muodostama pilvi alentaa sähkökentän voimakkuutta niin, että uusien ionien syntyminen lakkaa. Elektronit saavuttavat langan A mikrosekunnin murto-osassa kun taas positiivisilta ioneilta kuluu n. 100-kertainen aika matkaan sylinterin seinämälle. Tänä aikana, jota kutsutaan putken hukka-ajaksi, putki ei reagoi tuleviin hiukkasiin. Kun ionit saavuttavat sylinterin seinämän, ne neutralisoituvat. Sähkökenttä kasvaa jälleen ja putki pystyy tuntemaan saapuvat hiukkaset. Syntyvä jännitepulssi on kuitenkin vaillinaisesti kehittynyt. Pulssien koko edellisestä pulssista kuluneen ajan funktiona ilmenee kuvasta 2. Aikaa kutsutaan putken toipumisajaksi. U τ t t t Kuva 2. Hukka-aika ja toipumisaika. Kun positiiviset ionit törmäävät sylinterin seinämään voisi siitä irrota elektroni, joka aiheuttaisi uuden ionivyöryn. Tämän vuoksi putki täytyy jollakin keinolla sammuttaa. Se tapahtuu joko

3 ulkoisen sammutuspiirin avulla tai itsesammuvissa putkissa sammutuskaasun avulla. Geigerputken sisältämä kaasu on tavallisesti jalokaasua. Jos joukkoon on sekoitettu jotain moniatomista kaasua, kuten esim. etyylialkoholia, sieppaavat alkoholimolekyylit positiivisten ionien varauksen. Sen tapauksen todennäköisyys, että alkoholimolekyylit irrottaisivat elektronin putken seinämästä ja täten aiheuttaisivat uuden ionivyöryn, on havaittu häviävän pieneksi. Geigerputkesta saatavan jännitepulssin korkeus on verrannollinen putken jännitteeseen. Jotta putkea seuraavat laskurit pystyisivät rekisteröimään syntyneen jännitepulssin, täytyy sen ylittää määrätty alaraja. Kun putken jännitettä lisätään, kasvaa aikayksikössä havaittujen pulssien lukumäärä nopeasti (putki vakiosäteilykentässä), kunnes kaikki pulssit tulevat havaituksi. Tämän jälkeen laskentataajuus riippuu vain vähän putken jännitteestä ja putken ominaiskäyrällä on tasanne ( plateau ). Tyypillinen ominaiskäyrä on esitetty kuvassa 3. on putken syttymisjännite, välillä on putken tasanne ja merkitsee laskentataajuutta (pulssia/min). Putken hyvyyttä kuvaavaksi suureeksi on valittu tasanteen suhteellinen jyrkkyys 100 volttia kohti (dimensioton) (1) missä on laskentataajuuden keskiarvo tasanteella. Hyvän geigerputken, mutta käytettäessä hyvin stabiileja jännitelähteitä voidaan vielä arvot hyväksyä. Tasanteen jälkeen laskentataajuus kasvaa voimakkaasti, koska putkessa on käynnissä jatkuva purkaus. n n 2 n 1 U o U 1 U 2 U Hukka-ajan vaikutuksesta rekisteröityjen pulssien lukumäärä on pienempi kuin putkeen saapuneiden ionisoivien hiukkasten. Merkitään putkeen sekunnissa saapuneiden primäärihiukkasten lukumäärää symbolilla N, rekisteröityjen pulssien lukumäärää symbolilla n : ja putken hukka-aikaa symbolilla. Putki on tällöin yhden sekunnin kuluessa kykenemätön rekisteröimään uusia hiukkasia ajan ja rekisteröimättömien hiukkasten lukumäärä on sekunnissa. Toisaalta tämä lukumäärä on. Täten saadaan eli Kuva 3. Geigerputken ominaiskäyrä. (2)

4 Hukka-ajasta aiheutuva pulssimäärien korjauskerroin on siis Putkea seuraavilla elektronisilla piireillä on myös oma hukka-aikansa, mutta se on tavallisesti häviävän pieni geigerputken hukka-ajan rinnalla. (3) 2 TYÖN SUORITUS 2.1 Geigerputken ominaiskäyrä Työssä mitataan ensimmäiseksi geigerputken ominaiskäyrä. Käyrän mittaamista varten asetetaan preparaatti telineeseen geigerputken alapuolelle ja kytketään laskuri ja jännitelähde päälle. Tämän jälkeen säädetään laskuri laskenta-asentoon ja nostetaan jännitettä 0 V:stä alkaen sellaiseen jännitteeseen, että laskuri alkaa laskea geigerputkelle tulevaa säteilyä. Saatu jännite on putken syttymisjännite. Tällä jännitteellä mitataan yhden minuutin aikana tulevat pulssit kaksi kertaa. Tämän jälkeen mittauksia suoritetaan V:n välein aina 1100 V:iin asti (laskenta-aika 1 min ja mittaus suoritetaan kullakin jännitteellä 2 kertaa). Saadut tulokset merkitään koordinaatistoon ja piirretään käytetyn geigerputken ominaiskäyrä sekä lasketaan putken hyvyys. 2.2 Hukka-ajan mittaus Hukka-ajan mittausta varten valitaan sopiva jännite (noin kolmannes tasanteen leveyttä suurempi kuin syttymisjännite) ja suoritetaan mittaus ns. kahden lähteen menetelmällä. Mittaus tapahtuu seuraavasti: Kuva 4. Kahden lähteen menetelmä hukka-aikamittauksessa. Mitataan ensin preparaatin A antama laskentataajuus. Lisätään toinen preparaatti B preparaatin A viereen ja mitataan laskentataajuus. Poistetaan preparaatti A ja mitataan laskentataajuus. Lopuksi poistetaan vielä preparaatti B ja mitataan taustasäteilyn laskentataajuus. Nyt yhtälön A A B B n A n AB n B n C

5 (4) missä tarkoittaa vuoronperään A:ta, B:tä, AB:tä ja C:tä, mukaan saadaan neljä yhtälöä. Lisäksi on voimassa yhtälö eli Näistä viidestä yhtälöstä voidaan ratkaista. Kun jätetään termit, jotka sisältävät ja merkityksettömän pieninä pois, saadaan (5) (6) Preparaatit A ja B on sijoitettava siten, etteivät ne varjosta toisiaan eivätkä myöskään sirota toistensa säteilyä geigerputkeen. Poissaolevan preparaatin tilalla voidaan käyttää samanlaista, mutta kylmää (ei säteilevää) preparaattia. Mittaukset suoritetaan kahdesti kahden minuutin laskenta-ajalla ja saaduilla tuloksilla lasketaan hukka-aika yhtälöstä (6). Lopputuloksena ilmoitetaan mittausten keskiarvona saatu :n arvo. HUOM! Kaikki preparaatit mitattavaa lukuun ottamatta on pidettävä lyijykotelossa. Työn loputtua on huolehdittava, ettei preparaatteja jää pöydille.

6 76105A,Y ATOMI. JA YDINFYSIIKM 0pi skel iian nimi : Päi vämäärä: Valvonut assistentti Työ 1. GEIGERPUTKI A'l la on esitetty kaaviokuva ionisaatio'ilmaisimesta. ( sähkökenttä ) ionisoiva sätgi ly Kun ionjsaatioilma'i s'imen jännite kasvatetaan riittävän suureksi, pystyvät primäärisäte'i 1yn synnyttämät sekundääriset ionit itse aiheuttamaan I i sää ionisoitumista. Kun jännitettä suurennetaan ede'l- 'leen, virta ja jännitepuissi kgsvavat voimakkaasti. Lopul ta kai k- Itmaisinta käytetään nyt vain saapune'iden hiru.urt"li.syrilllrlylfitiioilllå";n'illi:: miseen. Täl'lainen i'lma.isin on esim. geigerputki. Geigerputkeen saapuva sätei1y saa aikaan'ioniv.vöryn ja samalla positiivisten ionien muodostama pi'lvi alentaa sähkökenttää niinr. että uusien ionien syntyminen lakkaa. Elektronit saavuttavat anodilangan mikrosekunnin murto-osassa, mirttå positiivisilta ioneilta kuluu noin 100-kertainen aika matkaan sylinterin seinämäl'le (katodi'lle). Tätä aikaa, jona putk'i ei reagoi tulevaan sätei'lyyn, sanotaah putken hukka-ajaksi r. Rekisteröityjenpulssien]ukumäärä(n)jäänäjnol1enpienemmä@ kasten tai -kvanttien määrä (N). Näille on voimassa yhtä'lö: N = Tlnr Aluksi mitataan ja p'iirretään geigerputken ominaiskäyrä (taulukko ja sitä vastaava kuva kääntöpuol el'l a ). Kun gei gerputken jänni te on yl i ttänyt syttymi sjänni tteen U,.,, nähdään,ettäpulssien]ukumääräaikayksikössäkasvaanopeast@- sit tulevat lasketuiksi. Tämän jä'lkeen laskentataajuus riippuu vain vähän putken jännitteestä ja orninaiskäyräl'lä on tasanne. - Jos jännitettä lisättäisiin edelleen, kasvaisi laskentataajuus voimakkaasti-, TTT'Iä putkessa olisi käynnissä jatkuva purkaus, Seuraavaksi määri'tetään geigerputken hukka-aika ns.. kahden lähteen menetelmällä. Taulukko. Geigerilla mitatut pulssimäärät pu1 sseja 1. mittaus 2. mittaus Laskenta-ai ka = Jänni te U = (U = U0 + 1/3 tasanteen leveydestä) Preparaatti A = Preparaatti B = (g = tausta) Hukka-ajalle voidaan johtaa yhtä1ö na*rb nrg-nc _ Z(nOn, - noun6) Mi ttaustul okset antavat : T1 =,2 T, 'ka

7 Gei gerputken omi na i s käyrä Ta u'l ukko. Gei gerput'kel 'la mi tattu teen U eri arvo'illa 'l as P.entataa j uus n -pr"eparaati I I e jännit- Syttymi sjänni te UO = (pu]ssia) Ge'igerputken hyvyyttä f kuvaa om'inaiskäyiän tasanteeith'e6l'l i nen iyrkkyys 10b volttia kohti (dimensioton suure) (hyväl1e putkelle f 5 3'10-z) eli t- 100V(nr-n,) 200V(nr-n1).il-qT-=ffi' missä nl on'laskentataaiuuden keskiarvo tasanteäl 'la. Al'la olevasta kuvasta saadaan: f= f= ( jatkuu ) (ust2oo v) n pulssia/ min) il il tl t; il rii! iill iir; illi iiii ilii iti l:;r; lirii llrl; llil! :!l: ' rll l:',1 iiill!;:il 1,.Il U,I n1 uz nz iiiil,;il ;i,il Kuva. Geigerputken omjnaiskäyrä iiiil ii;11 i'il u (v)