GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA

Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2 1 GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA 1. Työn tarkoitus Atomiytimet voivat olla vain määrätyissä kvantittuneissa energiatiloissa. Yleensä ydin on alimmassa mahdollisessa energiatilassa eli perustilassa. Ydin voi kuitenkin virittyä perustilaansa korkeammalle energiatilalle, kuten atomin elektronitkin. Elektroniverhon viritystilan purkautuessa ja elektronin siirtyessä alempaan viritystilaan tai perustilaan emittoituu fotoni. Emittoituvan fotonin energia vastaa siirtymän ylemmän ja alemman tilan energiaeroa ja se on tyypillisesti muutaman elektronivoltin (ev) suuruusluokkaa. Näistä fotoneista koostuva sähkömagneettinen säteily on siten näkyvää valoa. Myös atomiytimen virittyessä perustilaansa korkeampaan energiatilaan viritystila purkautuu yleensä nopeasti ja ydin siirtyy joko alempaan viritystilaan tai perustilaan. Samalla ydin emittoi fotonin, jota kutsutaan gammafotoniksi ja näistä fotoneista muodostuvaa sähkömagneettista säteilyä gammasäteilyksi. Ydintä koossa pitävien voimien vahvuuden takia ydinten viritystilojen väliset energiaerot ja siis myös emittoituvien gammafotonien energiat ovat hyvin suuria. Tyypillisesti gammafotonin energia on suurempi kuin 100 kev, aallonpituus pienempi kuin 10 pm ja taajuus suurempi kuin 10 20 Hz. Koska gammafotonien aallonpituus on pieni, niiden keskimääräinen vapaa matka väliaineessa on suuri ja siksi gammasäteily on hyvin läpitunkevaa. Tässä työssä tutkit gammasäteilyn syntymistä ja vuorovaikusta väliaineen kanssa. Tutustut siihen, miten gammasäteilyä voidaan mitata tuikekidespektrometrillä. Työn tarkoituksena on mitata säteilylähteenä käytettävän radioaktiivisen preparaatin gammaenergiaspektri tuikespektrometrilla ja määrittää säteilylähteen aktiivisuus. Lisäksi tutkit gammasäteilyn vaimenemista väliaineessa määrittämällä kahden eri materiaalin puoliintumispaksuudet. 2. Työn teoriaa 2.1 Gammasäteilyn synty Lyhytaaltoista ionisoivaa gammasäteilyä syntyy radioaktiivisissa hajoamisissa, erilaisissa ydinreaktioissa, annihilaatiossa, jossa hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat ja tuhoutuvat muuttuen sähkömagneettiseksi säteilyksi ja avaruudessa tapahtuvissa gammapurkauksissa, joiden arvellaan liittyvän mustien aukkojen syntymiseen. Tässä

2 GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA työssä tutkittava gammasäteily on peräisin radioaktiivisen ytimen gammahajoamisesta, jossa virittyneessä energiatilassa oleva ydin siirtyy alempaan viritystilaan tai perustilaan. Samalla ydin emittoi gammafotonin, jonka energia vastaa siirtymän ylemmän ja alemman tilan energiaeroa. Ydinten viritystilojen väliset energiaerot ja emittoituvien fotonien energiat ovat yleensä megaelektronivolttien (MeV eli 10 6 ev) suuruusluokkaa ja gammafotonien aallonpituudet ovat tavallisesti pienempiä kuin 10 pm. Gammasäteilyyn liittyvää teoriaa käsitellään yksityiskohtaisemmin mm. kursseissa 761116 P Säteilyfysiikka, -biologia ja turvallisuus ja 766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka. Gammahajoaminen liittyy yleensä muihin radioaktiivisiin hajoamisiin, joissa hajoamisen seurauksena syntyvä nuklidi jää usein viritettyyn energiatilaan. Esimerkiksi tässä työssä säteilylähteenä käytettävä 137 Cs - nuklidi, jonka hajoamiskaavio on alla kuvassa 55-1, muuttuu b - hajonnassa 137 Ba - nuklidiksi. Suurin osa cesiumytimistä hajoaa siten, että syntyvä bariumydin on virittyneessä tilassa. Viritystilan purkautuessa emittoi- 56 tuu gammasäteilyä, jonka energia on 0,6616 MeV. Juuri tätä säteilyä mittaat tässä työssä. 30,17 a 1,172 MeV b 1 94,6 % b 2 5,4 % g 2,5 min 0,6616 MeV 0,6616 MeV a = sisäisen konversion kerroin 0,12 0 MeV Kuva 1. 137 Cs-nuklidin hajoamiskaavio. 2.2 Gammalähteen aktiivisuus Gammasäteilyä lähettävän ytimen aktiivisuudella A tarkoitetaan lähteessä aikayksikössä tapahtuvien hajoamisten lukumäärää. Tarkastellaan gammasäteilylähdettä, jonka aktiivisuutta A voidaan pitää vakiona tarkasteltavana aikana. Oletetaan edelleen, että vain osassa hajoamisista todella emittoituu gammafotoni. Tätä osaa hajoamisista kutsutaan säteilylähteen suhteelliseksi intensiteetiksi I ja sen arvo on tavallisesti annettu nuklidin hajoamiskaaviossa. Kuvasta 1 nähdään, että 137 Cs - ytimen tapauksessa 55 I g = 0,85. Tätä laskettaessa on otettu huomioon se, että osassa hajoamisista syntyvä g

Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2 3 bariumydin on jo perustilassa ja toisaalta osa bariumin virittytiloista purkautuukin gammahajoamisen sijaan sisäisen konversion kautta. Sisäisessä konversiossa virittyneen ytimen energia siirtyy jollekin elektroniverhon elektroneista, joka sinkoutuu ulos atomista ja ydin siirtyy perustilaan. Lähteestä sekunnissa emittoituvien gammafotonien lukumäärä on siis AI. g Tarkastellaan kuvan 2 tilannetta, jossa käytettävän säteilylähteen koko on mittalaitteiston muihin etäisyyksiin verrattuna niin pieni, että lähdettä voidaan pitää pistemäisenä. Pistemäinen säteilylähde emittoi gammafotoneita kaikkiin mahdollisiin suuntiin. Kuitenkin vain osa emittoituvista gammafotoneista osuu spektrometrin tuikekiteeseen. Tämä murto-osa voidaan ilmaista suhteena W 4p, missä W on se avaruuskulma, jossa tuikekide näkyy lähteestä. Tuikekiteeseen osuu siten sekunnissa AI W p fotonia. g 4 W GAMMASÄTEILY- LÄHDE r R TUIKEKIDE Tuikespektrometri ei pysty havaitsemaan kaikkia kiteeseen osuvia fotoneita, vaan ainoastaan murto-osan e. Suuretta e kutsutaan kiteen sisäiseksi havaitsemistehok- ph ph kuudeksi ja se riippuu esimerkiksi gammasäteilyn energiasta ja tuikekiteen koosta. Tuikespektrometri sekunnissa rekisteröimien fotonien lukumäärä on e AI W 4p g ph. Lähteen aktiivisuutta määritettäessä on vielä otattava huomioon se, että kaikki kiteeseen osuvat gammafotonit eivät ole peräisin tutkittavasta gammasäteilylähteestä. Siksi aktiivisuutta laskettaessa on käytettävä taustakorjattua pulssimäärää, jossa mitatusta pulssimäärästä Kuva 2. Avaruuskulman W määrittäminen. N korj N ph on vähennetty taustasäteilystä aiheutunut pulssimäärä N tausta. Jos pulsseja laskentaan aika t c, tuikespektrometrin rekisteröimien pulssien lukumäärä on W N korj = e ph AIg tc. (1) 4p

4 GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA 2.3 Gammasäteilyn vuorovaikutukset väliaineessa Gammasäteilyn vaimeneminen väliaineessa johtuu siitä, että gammafotonit menettävät energiaansa vuorovaikuttaessaan väliaineen hiukkasten kanssa. Varaukselliset alfahiukkaset ja elektronit kokevat varauksensa takia paljon vuorovaikutuksia väliaineen atomiydinten ja elektronien kanssa. Ne siis menettävät merkittävästi energiaansa jo lyhyellä matkalla. Esimerkiksi 1 MeV:n elektronien kantama vedessä on 4-5 mm ja alumiinissa 1,5 mm, kun taas saman energiset alfahiukkaset etenevät vedessä vain 5 μm ja alumiinissa 2 3 μm. Varaukseton gammasäteily on selvästi läpitunkevampaa kuin alfa- tai beetasäteily ja gammasäteilyn vaimentamiseen tarvitaankin paksu väliainekerros. Gammasäteilyn pääasialliset vuorovaikutusmekanismit väliaineen kanssa ovat valosähköinen ilmiö, Comptonin sironta ja parinmuodostus. Se, mikä vuorovaikutusmekanismeista tapahtuu, riippuu gammafotonin energiasta E g ja väliainemateriaalin järjestysluvusta Z. Valosähköisessä ilmiössä gammafotonin koko energia kuluu siihen, että se irrottaa elektronin väliaineen atomin sisäkuorelta. Prosessin seurauksena syntyy positiivinen ioni ja vapaa elektroni. Koska gammafotonin energia on hyvin suuri verrattuna irrotustyöhön, vapautuvan elektronin liike-energia on käytännössä sama kuin väliaineeseen saapuvan gammasäteilyn energia. Comptonin sironnassa gammafotoni törmää väliaineen atomin ulkokuoren elektroniin, joka on sitoutunut atomiin niin löyhästi, että sitä voidaan pitää vapaana. Prosessissa fotoni luovuttaa vain osan energiastaan elektronille, loppuosa energiasta jää siroavalle fotonille, jonka energia on pienempi kuin alkuperäisen gammafotonin. Se, kuinka suuren energian elektroni saa, riippuu sirontakulmasta. Tilanteessa, jossa suuri määrä gammafotoneita saapuu väliaineeseen, sirontakulmat vaihtelevat paljon. Comptonin sironnassa syntyy siten elektroneja ja uusia fotoneita, joiden energiat ja etenemissuunnat vaihtelevat suuresti. Parinmuodostus voi tapahtua, jos gammafotonin energia on suurempi kuin elektronipositroniparin lepomassa 2 m e c 2 = 1,022 MeV. Tässä prosessissa gammafotoni absorboituu täysin ja syntyy elektroni-positronipari. Positroni tuhoutuu kuitenkin nopeasti annihilaatiossa, jossa se yhtyy elektroniin. Tällöin muodostuu 1,022 MeV:n gammafotoni, joka havaitaan. Kuvan 1 hajoamiskaaviosta nähdään, että tässä työssä säteilylähteenä käytettävän 137 Cs -preparaatin gammafotonien energia on pienempi kuin 1,022 MeV, joten parinmuodostusta ei tapahdu.

Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2 5 2.4 Gammaenergiaspektri Radioaktiivisen lähteen gammaenergiajakautuma eli spektri esittää lähteen säteilystä aikayksikössä havaittujen pulssien lukumäärää n energian E funktiona. Kuvassa 3 on näkyvissä gammaenergiaspektrin tyypillinen muoto tapauksessa, jossa parinmuodostusta ei esiinny. On tärkeää huomata, että preparaatista lähtevillä gammafotoneilla on kaikilla sama energia, esimerkiksi 137 Cs - lähteen tapauksessa 0,6616 MeV. Energiaspektrin muoto voidaan ymmärtää tarkastelemalla gammafotonien vuorovaikutuksissa 55 tuikekiteessä. Mikäli gammafotoni kokee kiteessä valosähköisen ilmiön, se häviää ja sen koko energia jää kiteeseen. Tällöin gammafotonin aiheuttama pulssi nähdään spektrissä havaittavana piikkinä C, jota kutsutaan fotohuipuksi. Koska gammafotonin energia jää kokonaan kiteeseen, fotohuippu havaitaan spektrissä gammafotonin energiaa vastaavalla kohdalla. Spektrissä havaittava jatkuva jakauma A syntyy gammafotonin kokiessa Comptonin sironnan. Sironnut fotoni karkaa kiteestä ja vie osan gammafotonin energiasta mukanaan. Näin ollen spektrin alueen A perusteella ei pystytä sanomaan mitään gammafotonin energiasta. Spektriin merkityssä kohdassa B, ns. Compton-reunassa, gammafotoni siroaa 180 :en kulmaan luovuttaen Comptonin sironnassa elektronille suurimman mahdollisen energian, karaten sen jälkeen kiteestä. Compton-reunan B ja fotohuipun C välisellä alueella näkyvä pieni pulssimäärä syntyy fotonin kokiessa useita Comptonin sirontoja, jolloin gammafotonin elektroneille sironnoissa luovuttama yhteenlaskettu energia voi olla suurempi kuin Compton-reunan energia. Peräkkäisten sirontojen jälkeen fotoni kuitenkin karkaa kiteestä. n B Spektrissä havaittavat alueet: A Comptonin sironnasta syntyvä jatkuva jakauma. A C B Compton-reuna, joka vastaa fotonin sirontaa 180 :en kulmaan. E C Valosähköisen ilmiön seurauksena syntyvä fotohuippu. Kuva 3. Gammaenergiaspektrin muoto.

6 GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA 2.5 Gammasäteilyn vaimeneminen Fotonien ja väliaineen vuorovaikutukselle on ominaista, että fotoni, joka kokee jonkin vuorovaikutuksen siroaa tai absorboituu poistuu alkuperäisestä fotonivuosta. Kapean fotonisuihkun energiavuon tiheys eli intensiteetti I noudattaa vaimennuslakia I - m t l l Þ I = I 0 - m ltl = I 0e ln ln, (2) missä I 0 on säteilyn alkuperäinen intensiteetti ennen saapumista väliaineeseen, m l on väliaineelle ominainen lineaarinen vaimennuskerroin ja t l on väliainekerroksen paksuus. Lineaarisen vaimennuskertoimen sijaan käytetään usein väliainemateriaalin tiheydestä r riippumatonta massavaimennuskerrointa m m r, joka ilmoitetaan m = l usein yksiköissä cm 2 /g. Tällöin yhtälön (2) mukainen vaimennuslaki tulee muotoon I -m r m t l = I 0 e. (3) Käytännöllinen väliaineen vaimennuskyvyn mitta on puoliintumispaksuus x. Puo- 1 2 liintumispaksuus tarkoittaa sitä väliainekerroksen paksuutta, joka vaimentaa väliaineeseen tulevan kapean fotonisuihkun intensiteetin puoleen alkuperäisestä. Yhtälön (2) perusteella puoliintumispaksuudeksi saadaan I = I 2 = I -ml x1 æ 1 ö ln 2 0e Þ lnç = -ml x1 2 Þ x1 2 = è 2 ø ml 0 2. (4) 3. Mittauslaitteisto Tässä työssä gammasäteilyn tutkimiseen käytetään tuikekidespektrometria, jonka rakennetta kuvaava kaavio on esitetty kuvassa 4. Seuraavassa käsitellään lyhyesti laitteen tärkeimpien osien toimintaa. Tuikekidespektrometrin toimintaa käsitellään tarkemmin esimerkiksi kirjassa Radiation detection and measurement (G. Knoll, 1979).

Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2 7 NaI (Tl)-kide γ-säteily Vahvistin Valomonistinputki Pulssinkorkeusanalysaattori Laskija Korkeajännitelähde Gammasäteilylähde eli preparaatti Kuva 4. Tuikekidespektrometrin rakenne. 3.1 NaI(Tl)-kide Säteilylähteestä saapuva gammasäteily osuu ensin tuikekiteeseen. Tuikekide valmistetaan materiaalista, jossa säteilykvantit ja ionisoivat hiukkaset saavat aikaan virittymisiä. Viritysten purkautuessa syntyy valon tuikahduksia eli emittoituu fotoneita, joiden aallonpituus on näkyvällä tai ultraviolettialueella. Koska tuikemateriaali on tällä alueella läpinäkyvää, syntyvät tuikefotonit ohjautuvat kiteestä edelleen valomonistinputkeen. Tämän työn spektrometrissä käytetään natriumjodidikidettä, johon on lisätty epäpuhtautena talliumia. Talliumin lisäyksen ansiosta kiteen vyörakenteeseen on syntynyt uusia energiatasoja valenssi- ja johtavuusvyön välille. Juuri näiden energiatasojen viritysten purkautuessa emittoituvan tuikefotonin aallonpituus on spektrometrin valomonistinputkea ajatellen sopivalla ultravioletti- tai näkyvän valon alueella. 3.2 Valomonistinputki Tuikekiteessä syntyvät heikot valontuikahdukset muutetaan valomonistinputken avulla sähkövirraksi. Valomonistinputken toimintaperiaate on esitetty kuvassa 5. Valomonistinputki koostuu tyhjiöputkesta, jonka sisällä on valoherkkä fotokatodi, useita vahvistuselektrodeja, joita kutsutaan dynodeiksi ja anodi. Tyhjiöputken ikkunan kautta tuikekiteessä syntynyt fotoni pääsee osumaan katodille aiheuttaen siellä valosähköisen ilmiön, jonka seurauksena katodista irtoaa elektroni. Valomonistinputkeen kytketty korkeajännitelähde tuottaa putken dynodeille suuret jännitteet, joista korkein on luokkaa 1000 V. Dynodien jännitteet nousevat asteittain katodin suhteen, joten irronnut elektroni kiihtyy kulkiessaan sähkökentässä katodilta ensimmäiselle dynodille ja tältä seuraavalle ja lopulta anodille asti. Dynodit on valmistettu materiaalista, josta irtoaa 2 5 elektronia jokaista siihen osuvaa nopeaa elektronia kohti. Kun dynodien määrä putkessa on 8 18, jokaista fotokatodille tullutta fotonia kohti anodille päättyvien elektronien määrä on 10 6 10 8. Näin suuri määrä

8 GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA elektroneja aiheuttaa anodille virtasysäyksen, joka pystyy synnyttämään piiriin kytketyn vastuksen päiden välille mitattavissa olevan jännitepulssin. Jännitepulssin suuruus on verrannollinen virtasysäyksen elektronien lukumäärään eli anodille saapuneen pulssin varaukseen. Tämä varaus taas on suoraan verrannollinen fotokatodille osuneiden fotoneiden lukumäärään ja gammasäteilykvantin kiteeseen luovuttamaan energiaan. Tuikekiteessä syntynyt fotoni 1. dynodi hf - Fotokatodi Fotokatodi 2. dynodi Anodi Anodi Kuva 5. Valomonistinputken toimintaperiaate. + 3.3 Vahvistin, pulssinkorkeusanalysaattori ja laskija Vahvistimessa valomonistinputkesta saatavat pulssit vahvistetaan ja muokataan niin, että ne sopivat käsiteltäviksi yksikanavaisessa pulssinkorkeusanalysaattorissa. Lopuksi laskija laskee pulssinkorkeusanalysaattorista käyttäjän asettaman laskenta-ajan kuluessa tulevien pulssien lukumäärän. Pulssinkorkeusanalysaattorin kaksi diskriminaattoria huolehtivat siitä, että laskettaviksi pääsevät ainoastaan pulssit, joiden jännite on käyttäjän asettamalla välillä. Diskriminaattorin läpi pääsee vain sellainen pulssi, jonka jännite on haluttua kynnysarvoa suurempi. Diskriminaattorien jälkeen pulssi pääsee eteenpäin laskijalle vain, jos se on päässyt kulkemaan ainoastaan ensimmäisen diskriminaattorin läpi. Tällöin sen jännite on suurempi kuin ensimmäisen diskriminaattorin kynnysarvo, mutta pienempi kuin toisen diskriminaattorin kynnysarvo eli jännite on asetetulla välillä. 3.4 Gammaenergiaspektrin mittaus yksikanavaisella pulssinkorkeusanalysaattorilla Käytettävällä yksikanavaisella tuikespektrometrilla saadaan mitattua gammasäteilyn energiaspektri kuvan 6 mukaisena histogrammina. Histogrammin pystyakselilla on

Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2 9 pulssien lukumäärä n ja vaaka-akselilla jännite. Jännite on verrannollinen gammafotonin kiteeseen luovuttamaan energiaan, joten toisaalta vaaka-akseli kuvaa myös energiaa. Laitteeseen asetetaan ensin haluttu ikkunan leveys eli diskriminaattorien kynnysarvojen erotus, joka pidetään vakiona mittauksen ajan. Lisäksi säädetään sopiva mittausaika ja ikkunan alaraja. Nyt tuikespektrometri laskee asetetulla jännitevälillä olevien pulssinkorkeusanalysaattorille saapuvien pulssien lukumäärän säädetyssä laskentaajassa. Kun valittua ikkunaa siirretään leveytensä suuruisin askelin yli halutun jännitealueen, saadaan muodostettua histogrammi. Käytännössä histogrammin vaakaakselina on jännitteen sijaan säädössä käytettävän potentiometrin lukema x eli ikkunan alaraja, joka on välillä 0 10. Näin ollen myös histogrammin vaaka-akselille merkitään jännitteen sijaan potentiometrin lukema. Tulokseksi saatavaan histogrammiin voidaan tasoittaa graafisesti spektri kuvan 6 mukaisesti. n n n n Histogrammi x x Ikkuna Ikkuna Ikkuna x x Kuva 6. Gammaenergiaspektrin mittaus yksikanavaisella pulssinkorkeusanalysaattorilla. 4. Ennakkotehtävät Vastaa seuraaviin ennakkotehtäviin ennen työvuorolle tuloa. Ennakkotehtävät vaikuttavat työn arviointiin. Tehtävien vastauksille on paikka ohjeen lopussa olevassa lomakkeessa, josta löytyy myös mittauspöytäkirja ja tulosten käsittelyä koskevia ohjeita. 1. Miten atomin ydin voi joutua viritettyyn tilaan? 2. Mistä mittauksissa havaittava taustasäteily voi aiheutua? 3. Selitä lyhyesti a) mitä tapahtuu alfahajoamisessa ja beetahajoamisessa ja b) millaisia vuorovaikutusmekanismeja ovat valosähköinen ilmiö, Comptonin sironta ja parinmuodostus.

10 GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA 5. Mittaukset 5.1 Gammaenergiaspektrin mittaus Kuvassa 7 seuraavalla sivulla on valokuva mittauksissa käytettävästä laitteistosta. Kuvassa a) näkyvät vahvistin, korkeajännitelähde, pulssinkorkeusanalysaattori sekä laskija. Kuvaan on merkitty myös, mistä kohtaa löytyvät laskenta-ajan säätimet sekä ikkunan leveyden ja ikkunan alarajan säätöön käytettävät potentiometrit. Kuvassa b) on preparaatti telineessä, johon puoliintumispaksuuksia määritettäessä asetetaan myös väliainelevyt ja kollimaattori. Telineen alapuolella näkyvät tuikekide ja valomonistinputki. Lisäksi kuvassa b) on absorptiomittauksissa käytettäviä kollimaattoreita sekä tutkittavia väliainelevyjä. Työn ohjaaja kytkee laitteiston päälle ja säätää valomonistimen korkeajännitteen. Korkeajännitettä ei saa muuttaa harjoitustyön aikana. Ohjaaja asettaa myös sopivan vahvistuksen, opastaa spektrometrin käytössä sekä laskentaaikojen ja ikkunan leveyksien valinnassa. Aseta ensin gammasäteilylähde telineeseen sopivalle korkeudelle ohjaajan opastuksella. Mittaa aluksi spektrin karkea muoto, josta saat selville, mitä jänniteväliä kannattaa tutkia tarkemmin. Spektrin karkean muodon saa selvitettyä nopealla mittauksella muutamassa minuutissa. Mittaa siis lähes koko potentiometrin säätöalue (0-10) käyttäen leveää ikkunaa (esimerkiksi 0,50) ja lyhyttä laskenta-aikaa (vaikkapa 10 s). Piirrä ensimmäisen mittauksen tulosten perusteella histogrammi mittauspöytäkirjaan, siten että koordinaatiston pystyakselilla on pulssien lukumäärä n ja vaaka-akselilla ikkunan alarajaa vastaava potentiometrin lukema x. Tee sitten varsinainen gammaenergiaspektrin mittaus valitsemaltasi suppeammalta jänniteväliltä kaventaen ikkunan leveyttä ja kasvattaen laskenta-aikaa. Spektrissä tulisi näkyä kuvan 3 tapaan Comptonin sironnan seurauksena syntyvää jatkuvaa jakaumaa, Compton-reuna ja fotohuippu. Huomaa, että lähteen aktiivisuuden määrityksessä ja puoliintumispaksuusmittauksissa käytetään ainoastaan fotohuipun aluetta. Jotta voit rajata ikkunan leveyden sopivaksi näihin mittauksiin, sinun tulee tietää tarkasti, missä fotohuipun alue alkaa ja loppuu. Piirrä mittaustuloksiasi kuvaava histogrammi mittauspöytäkirjaan ja hahmottele siihen myös gammaenergiaspektri.

Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2 11 a) b) Mitattujen pulssien lukumäärä Preparaatti Laskija Ikkunan leveyden ja alarajan säätö Vahvistin Kide Valomonistinputki Kollimaattorit Laskenta-ajan asetus Analysaattori Korkeajännitelähde Tukittavia levyjä Kuva 7. Mittauksissa käytettävä laitteisto. 5.2 Aktiivisuuden määritys Valitse piirtämäsi histogrammin avulla ikkunan leveys ja alaraja niin, että ne rajaavat fotohuipun alueen. Mittaa pulssien lukumäärä fotohuipun alueella. Nyt kannattaa käyttää melko pitkää laskenta-aikaa (esimerkiksi 5 min), sillä pulssien lukumäärän kasvaessa saadaan luotettavampi tulos. Poista preparaatti telineestä ja laita se säilytysastiaan. Mittaa samoilla asetuksilla taustasäteilyn aiheuttamien pulssien lukumäärä. g Gammasäteilylähteen aktiivisuuden laskemiseksi tarvittava säteilylähteen suhteellisen intensiteetin I sekä fotohuippua vastaavan gammaenergian E arvot saat kuvan 1 hajoamiskaaviosta. Fotohuipun energiaa g Eg vastaava kiteen sisäinen havaitsemistehokkuus e luetaan työpaikalla olevasta kuvaajasta, joka esittää käytetyn tuikekiteen si- ph säisen havaitsemistehokkuuden riippuvuutta fotonin energiasta. Avaruuskulma W voidaan laskea yhtälöstä æ ö ç r W = 2p 1 -, (5) 2 2 è r + R ø

12 GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA missä r on lähteen ja kiteen välimatka ja R on kiteen säde. Kiteen halkaisijan arvo on annettu havaitsemistehokkuuden kuvaajassa. Lähteen ja kiteen välimatkan voit mitata viivoittimella. Ratkaise tutkittavan gammasäteilylähteen aktiivisuus yhtälöstä (1) ja ilmoita se lopputulokseksi kilobecquereleina (kbq). Muista huomioida taustakorjaus. 5.3 Puoliintumispaksuuksien määritys Gammasäteilyn vaimenemista kahdessa eri väliaineessa tutkitaan asettamalla säteilylähteen ja tuikekiteen väliin absorboiva väliainekerros. Väliaineesta valmistettuja levyjä ladotaan päällekkäin eri paksuisiksi kerroksiksi ja mitataan säteilyn vaimenemista kerroksen paksuuden funktiona. Tulosten luotettavuuden kannalta on tärkeää, että kaikki gammafotonit kulkevat väliainekerroksessa saman matkan. Tämän vuoksi säteilylähteen emittoimista fotoneista päästetään tuikekiteelle vain kapea yhdensuuntainen fotonisuihku. Tällainen fotonisuihku saadaan aikaan panemalla lähteen ja väliainekerroksen väliin toinen kuvassa 7 b) näkyvistä kollimaattoreista. Kollimaattorit ovat sylinterinmuotoisia metallikappaleita, joissa on keskellä kapea reikä säteilyn kulkuaukkona. Puoliintumispaksuuden määrityksessä käytettävä koejärjestely on esitetty kuvassa 8. Väliaine liainekerroksen paksuuden t l funktiona kasvattaen kerroksen paksuutta lisäämällä kussakin mittauksessa sopiva määrä levyjä kollimaattorin ja ilmaisimen väliin. Määri- Gammasäteilylähde Säteilynilmaisin Kollimaattori Kuva 8. Puoliintumispaksuuksien määrityksessä käytettävä koejärjestely. Aseta kollimaattori sopivalle paikalle telineeseen ohjaajan opastuksella. Käytä samaa ikkunan leveyttä kuin edellä aktiivisuusmittauksissa, mutta pienennä laskenta-aikaa esimerkiksi 100 s:iin. Mittaa ensin taustasäteilystä aiheutuvien pulssien lukumäärä N ilman vaimentavaa väliainetta pitämällä lähde säilytysastiassa. Aseta sitten tausta preparaatti paikalleen kollimaattorin päälle ja valitse kaksi tutkittavaa väliainemateriaalia. Mittaa ensin ensimmäisen valitun väliaineen pulssien lukumäärää N vä- ph

Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2 13 tä väliainekerroksen paksuus mittaamalla yhden levyn paksuus muutamaan kertaan mikrometriruuvilla. Laske kutakin kerroksen paksuutta vastaavat intensiteetit I, jotka ovat verrannollisia taustakorjattuihin pulssimääriin lomakkeesta löytyvään taulukkoon ja piirrä mittaustuloksesi ja niiden perusteella saatava yhtälön (2) mukainen suora ( t l, ln I ) - koordinaatistoon. Määritä lineaarinen vaimennuskerroin ml suoran kulmakertoimena ja laske sen avulla puoliintumispaksuus x 12 ja massavaimennuskerroin m m käyttäen alla olevassa taulukossa annettua väliaineen tiheyttä. Jos mahdollista määritä puoliintumispaksuus myös etsimällä kuvaajasta se paksuuden t l arvo, jolla ln I = ln I 0 - ln 2. Tee sitten vastaavat mittaukset toiselle valitsemallesi väliaineelle. Taulukko 1. Puoliintumispaksuuden määrityksessä käytettävien materiaalien tiheydet Materiaali Tiheys (g/cm 3 ) Alumiini 2,70 Kupari 8,92 Lasi 2,50 Vaneri 0,52 Ilmoita lopputuloksina molempien väliaineiden lineaariset ja massavaimennuskertoimet sekä puoliintumispaksuudet. Vastaa lomakkeesta löytyvään lopputehtävään.

OULUN YLIOPISTO FYSIIKAN OPETUSLABORATORIO Fysiikan laboratoriotyöt 2 Työn suorittaja: Mittauspäivä: / 20 Työn ohjaaja: GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA 1. Ennakkotehtävät 1. Miten atomin ydin voi joutua viritettyyn tilaan? 2. Mistä mittauksissa havaittava taustasäteily voi aiheutua? 3. Selitä lyhyesti a) mitä tapahtuu alfahajoamisessa ja beetahajoamisessa ja b) millaisia vuorovaikutusmekanismeja ovat valosähköinen ilmiö, Comptonin sironta ja parinmuodostus.

2. Mittaukset 1. Gammaenergiaspektrin mittaus Mittaus 1: Spektrin muodon määritys Ikkunan leveys oli ja laskenta-aika s. x n n Lähteen gammaenergiaspektrin muoto x

Mittaus 2: Lähteen gammaenergiaspektri Ikkunan leveys oli ja laskenta-aika s. x n n 137 Cs-lähteen gammaenergiaspektri x Mittauksen 2 perusteella fotohuippu rajataan jatkoa varten seuraavasti: Ikkunan alaraja on ja ikkunan leveys on.

2. Lähteen aktiivisuuden määritys Käytetty laskenta-aika oli t c = s. Pulssimääräksi fotohuipun alueella mitattiin N ph = ja taustasäteilyn pulssimääräksi fotohuipun alueella saatiin N tausta =. Suhteellinen intensiteetti I g =. Tuikekiteen sisäinen havaitsemistehokkuus fotohuipun alueella e ph =. Tuikekiteen säde R = cm. Säteilylähteen ja tuikekiteen välimatka r = cm. Avaruuskulmaksi W saadaan siis Säteilylähteen aktiivisuus A on siis Huom. Kirjoita näkyviin käyttämäsi yhtälöt ja sijoittamasi arvot yksikköineen!

3. Gammasäteilyn absorption tutkiminen Mittaus 1 Tutkittava materiaali on, jonka tiheys on g/cm 3. Yhden levyn paksuudeksi mitattiin cm. Laskenta-aika oli s, jolloin taustasäteilystä aiheutuvien pulssien lukumäärä N oli. tausta Levyjen lkm Kerroksen paksuus t (cm) l N ph (pulssia) I = N ph - N tausta ln I Suoran kulmakertoimeksi saadaan: kk = 1/cm = 1/cm. Lineaarinen vaimennuskerroin on m l = = 1/cm, jolloin massavaimennuskerroin on ln I Gammasäteilyn absorboituminen väliaineeseen 1 m m = = cm 2 /g. ja puoliintumispaksuus on x 1 2 = = cm. x (cm) Toisaalta puoliintumispaksuudeksi saadaan graafisesti x 1 2 = cm.

Mittaus 2 Tutkittava materiaali on, jonka tiheys on g/cm 3. Yhden levyn paksuudeksi mitattiin cm. Laskenta-aika oli s, jolloin taustasäteilystä aiheutuvien pulssien lukumäärä N tausta oli. Levyjen lkm Kerroksen paksuus t (cm) l N ph (pulssia) I = N ph - N tausta ln I Suoran kulmakertoimeksi saadaan: kk = 1/cm = 1/cm. Lineaarinen vaimennuskerroin on m l = = 1/cm, jolloin massavaimennuskerroin on ln I Gammasäteilyn absorboituminen väliaineeseen 2 m m = = cm 2 /g. ja puoliintumispaksuus on x 1 2 = x (cm) = cm. Toisaalta puoliintumispaksuudeksi saadaan graafisesti x = cm. Lopputehtävä: Kumpaa tutkimistasi materiaaleista käyttäisit säteilysuojan rakentamiseen? Miksi? 1 2