Subversion Repositories svnkaklik

Rev

Rev 945 | Details | Compare with Previous | Last modification | View Log

Rev Author Line No. Line
767 kaklik 1
\documentclass[12pt,notitlepage,fleqn]{article}
2
 
3
\usepackage[czech]{babel}
4
\usepackage[pdftex]{graphicx}
5
\usepackage{fancyhdr,multicol} %nastavení češtiny, fancy, grafiky, sloupce
6
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
7
\usepackage[a4paper,text={17cm,25cm},centering]{geometry} %nastavení okrajů
8
\usepackage{rotating}
9
 
10
% Here it is: the code that adjusts justification and spacing around caption.
11
\makeatletter
12
% http://www.texnik.de/floats/caption.phtml
13
% This does spacing around caption.
14
\setlength{\abovecaptionskip}{2pt}   % 0.5cm as an example
15
\setlength{\belowcaptionskip}{2pt}   % 0.5cm as an example
16
% This does justification (left) of caption.
17
\long\def\@makecaption#1#2{%
18
\vskip\abovecaptionskip
19
\sbox\@tempboxa{#1: #2}%
20
\ifdim \wd\@tempboxa >\hsize
21
#1: #2\par
22
\else
23
\global \@minipagefalse
24
\hb@xt@\hsize{\box\@tempboxa\hfil}%
25
\fi
26
\vskip\belowcaptionskip}
27
\makeatother
28
 
29
 
30
\begin{document}
31
 
32
\pagestyle{empty} %nastavení stylu stránky
33
\def\tablename{\textbf {Tabulka}}
34
 
35
\begin {table}[tbp]
36
\begin {center}
37
\begin{tabular}{|l|l|}
38
\hline
39
\multicolumn{ 2}{|c|}{\Large \bfseries FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE \huge\strut} \\ \hline
946 kaklik 40
\textbf{Datum měření:} {26.3.2011} & \textbf{Jméno:} {Jakub Kákona} \\ \hline
945 kaklik 41
\textbf{Pracovní skupina:} {2} & \textbf{Hodina:} {Po 7:30} \\ \hline
42
\textbf{Spolupracovníci: Viktor Polák} {} & \textbf{Hodnocení:}  \\ \hline 
767 kaklik 43
\end{tabular}
44
\end {center}
45
\end {table}
46
 
47
\begin{center} \Large{Měření spektra gamma záření scintilačním počítačem} \end{center}
48
 
49
\begin{abstract}
776 kaklik 50
Úloha se zabývá měřením spekter nejběžnějších umělých zářičů a metodami cejchování scintilačního detektoru. 
767 kaklik 51
\end{abstract}
52
 
53
\section{Úvod}
54
\subsection{Zadání}
55
\begin{enumerate}
774 kaklik 56
\item 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.)
945 kaklik 57
 
58
\item Naměřte spektrum impulsů $ ^{137}\rm Cs$ pomocí manuálního měření. Okno volte o šířce 100mV. Spektrum graficky zpracujte.
59
 
60
\item Naměřte spektrum impulsů $ ^{137}\rm Cs$ jednokanálovým analyzátorem pomocí automatického měření. Okno volte o šířce 100mV. Spektrum graficky zpracujte.
61
 
62
\item Mnoho kanálovým analyzátorem naměřte jednotlivá spektra přiložených zářičů $ ^{137}\rm Cs, ^{60}\rm Co, ^{241}\rm Am, ^{133}\rm Ba$. (Spektrum nabírejte 10 minut.)
63
 
64
\item Pomocí naměřených spekter najděte kalibrační křivku spektrometru, závislost rozlišení spektrometru na energii záření.
65
 
66
\item Z naměřeného spektra $ ^{137}\rm Cs$ určete hodnotu píku zpětného rozptylu, Comptonovy hrany, energii rentgenového píku a energii součtového píku. 
67
 
68
\item Mnohokanálovým analyzátorem naměřte spektrum neznámého zářiče. Určete tento zářič, pozorujte a zaznamenejte další jevy v jeho spektru. (Spektrum nabírejte 10minut.)
69
 
70
\item Mnohokanálovým analyzátorem naměřte spektrum pozadí v místnosti (zářiče uschovejte v trezoru), Najděte v pozadí přirozené zářiče a toto pozadí odečtěte od všech zaznamenaných spekter ještě před jejich vyhodnocením. (Pozadí nabírejte 10minut)  
71
 
72
\item Graficky určete závislost koeficientu útlumu olova na energii gama záření.  (Použijte všechny zářiče současně, jednotlivá spektra nabírejte 5minut)  
73
 
767 kaklik 74
\end{enumerate}
75
 
76
\section{Experimentální uspořádání a metody}
77
 
78
\subsection{Teoretický úvod}
776 kaklik 79
Radioaktivita je charakterizována, jako jev při němž se jádro atomu určitého prvku samovolně přemění na jádro jiného prvku, tento proces je často doprovázen emisí vysokoenergetického záření. Jádra s těmito vlastnostmi se nazývají radionuklidy - radioaktivní zářiče. Rozeznáváme $\alpha, \beta, \gamma $ zářiče. Aktivita je veličina charakterizující počet jader, které se přemění za 1s, jednotkou je 1 becquerel [Bq]. Počet jader ve vzorku se řídí rovnicí
945 kaklik 80
 
776 kaklik 81
\begin{equation} \displaystyle N_{(t)}=N_0 \rm {e}^{-\lambda t}, \end{equation}
767 kaklik 82
 
776 kaklik 83
kde $N_0$ je počet jader na počátku měření a $\lambda$ je střední pravděpodobnost rozpadu jádra. Dále platí rovnost
767 kaklik 84
 
776 kaklik 85
\begin{equation} \displaystyle \lambda=\frac{\rm {ln}2}{T_{\frac{1}{2}}},\end{equation} 
86
kde $T_{\frac{1}{2}}$ je poločas rozpadu, doba za kterou se rozpadne právě $\frac{1}{2}$ jader.
87
 
945 kaklik 88
 
89
\subsubsection{Průchod záření látkou a jeho detekce}
90
 
91
Vzhledem k tomu, že gama záření je elektromagnetické záření, které nelze detekovat přímými metodami. Tak je nutné využít vlastností jeho interakcí s látkou. 
92
 
93
\begin{description}
94
\item[Comptonův rozptyl] - Jedná se vlastně o pružnou srážku fotonu a elektronu. Foton změní svůj směr díky absorpci části energie volným elektronem. 
95
 
96
\item[Fotoefekt] - Foton všechnu energii předá elektronu, který byl vázán v atomu ten je nyní  vyražen a pohybuje se s kinetickou energií rovnou energii původního fotonu zmenšenou o vazebnou energii elektronu v atomu. 
97
 
98
\item[Tvorba elektron/pozitronový párů] - Foton má dostatečnou energii ($ > 2m_ec^2$), při průletu silným polem zanikne za vniku elektron-pozitronového páru. Přitom předá část svojí hybnosti částici, která pole vytvořila. Obvykle tento proces nastává poblíž atomových jader. Následnou anihilací vzniknou dva fotony o energii 511 keV.  
99
\end{description}
100
 
101
\subsubsection{Stínění gama záření}
102
 
946 kaklik 103
Při průletu gama fotonů látkou se nemění jejich energie, ale následkem srážek se postupně zmenšuje proud fotonů. Zeslabení mono energetického svazku v takovém případě probíhá podle exponenciálního zákona
945 kaklik 104
 
105
\begin{equation}
106
 I(d) = I_0 e^{\mu d}
107
\end{equation}  
108
 
946 kaklik 109
kde $I(d)$ je intenzita svazku prošlého materiálem o tloušťce $d$, $I_0$ je počáteční intenzita  a $\mu $ se nazývá lineární koeficient útlumu. Tohoto exponenciálního útlumu intenzity se využívá při stínění gama záření.
945 kaklik 110
 
776 kaklik 111
\subsection{Pomůcky}
945 kaklik 112
Scintilační detektor, zdroj vysokého napětí NL2410, jednokanálový analyzátor PHYWE, čítač impulsů NL2301, multikanálový analyzátor PHYWE, osciloskop, počítač, zdroje gama záření, USB link PASCO 2100, program pro datový sběr Data Studio, program MEASURE.
776 kaklik 113
 
767 kaklik 114
\section{Výsledky a postup měření}
115
 
945 kaklik 116
\subsection{Manuální měření s jednokanálovým analyzátorem}
776 kaklik 117
 
945 kaklik 118
Tento krok jsme na pokyn asistenta přeskočili. Na začátku měření jsme pouze stihli připojit osciloskop k měřící aparatuře a zobrazit na něm průběhy výstupních impulzů ze scintilačního detektoru.   
776 kaklik 119
 
120
\subsection{Automatický mnohakanálový analyzátor}
121
 
945 kaklik 122
Pomocí mnohakanálového analyzátoru připojeného k počítači jsme změřili gamma spektra zářičů $^{241}\rm Am$, $^{60}\rm Co$ a $^{133}\rm Ba$, které jsme pak graficky zpracovali. Spektrum každého ze zářičů bylo nabíráno $(600 \pm 10)$s.
776 kaklik 123
 
124
\begin{figure}
767 kaklik 125
\begin{center}
776 kaklik 126
\label{amplituda}
945 kaklik 127
\includegraphics [width=80mm] {Am241.png} 
128
\includegraphics [width=80mm] {Ba133.png}
129
\includegraphics [width=80mm] {Co60.png}  
130
\includegraphics [width=80mm] {Cs137.png} 
946 kaklik 131
\caption{Naměřená spektra jednotlivých zářičů.}
767 kaklik 132
\end{center}
133
\end{figure}
134
 
135
 
945 kaklik 136
V naměřeném spektru cesia jsme pak identifikovali další jevy, jako špičku zpětného rozptylu na 218 keV, součtový pík na 1341,31 keV a Comptonovu hranu na 447,306 keV. 
137
 
776 kaklik 138
\begin{figure}
945 kaklik 139
\begin{center}
776 kaklik 140
\label{amplituda}
945 kaklik 141
\includegraphics [width=150mm] {Cs137.png} 
776 kaklik 142
\end{center}
143
\end{figure}
144
 
945 kaklik 145
\subsection{Identifikace neznámého zářiče}
776 kaklik 146
 
945 kaklik 147
Ve spektru neznámého zářiče jsme nalezli dva charakteristické píky první s energií 528,4 keV a druhý s mnohem nižší intenzitou a energií 1275,2 keV. 
148
Neznámý zářič jsme určili jako $^{22}\rm Na$, podle charakteristického píku 1274,537keV.
149
 
776 kaklik 150
\begin{figure}
151
\label{amplituda}
152
\begin{center}
945 kaklik 153
\includegraphics [width=100mm] {neznamy.png} 
776 kaklik 154
\end{center}
945 kaklik 155
\caption{Změřené spektrum neznámého zářiče identifikovaného, jako $^{22}\rm Na$} 
776 kaklik 156
\end{figure}
157
 
945 kaklik 158
Ve spektru je ještě slabý náznak špičky na 695,6 keV, což ale pravděpodobně je artefakt od nedostatečně stíněného cesia. 
159
 
160
\subsection{Kalibrace detektoru}
161
 
162
Ze známých energií zářičů bylo možné kanálům analyzátoru přiřadit konkrétní hodnotu energie a tím získat kalibrační křivku. $ \sigma = (0,6575 \pm 0,0067) / E - (16,4873 \pm 9,031) $
163
 
164
\begin{table}[h]
165
\centering
166
\begin{tabular}{ccc}
167
\hline
168
Kanál & $E_{tab}$ [keV] & $\sigma$\\ \hline
169
2040 & 1332,492 & 48,6 \\
170
1813 & 1173,228 & 46,7 \\
171
97,7 & 59,5409 & 13,8 \\
172
584 & 356,0129 & 28,4 \\
173
1040 & 661,657 & 47,3 \\
174
\hline
175
\end{tabular}
176
\caption{Tabulkové hodnoty energií přiřazené jednotlivým kanálům a jejich směrodatné odchylky.}
177
\label{tkal}
178
\end{table}
179
 
180
 
776 kaklik 181
\begin{figure}
182
\label{amplituda}
183
\begin{center}
945 kaklik 184
\includegraphics [width=100mm] {kalibrace.png} 
776 kaklik 185
\end{center}
946 kaklik 186
\caption{Energetická kalibrační křivka scintilačního detektoru} 
776 kaklik 187
\end{figure}
188
 
945 kaklik 189
Dále jsme pro píky zářičů určili jejich rozptyl. A z této hodnoty a jejich energií určili energetickou rozlišovací schopnost detektoru. Která je uvedena v grafu \ref{rozliseni}. Nafitovaná funkce je  $ \sigma = 11,6 / E +  0,039$
776 kaklik 190
 
191
\begin{figure}
192
\begin{center}
945 kaklik 193
\includegraphics [width=100mm] {kalibrace_sigma.png}  
776 kaklik 194
\end{center}
946 kaklik 195
\caption{Energetická rozlišovací schopnost (na svislé ose uveden rozptyl sigma)}
945 kaklik 196
\label{rozliseni}
776 kaklik 197
\end{figure}
198
 
199
 
945 kaklik 200
\subsection{Útlum olova}
776 kaklik 201
 
945 kaklik 202
Pro měření jsme použili několik vrstev olověných plátů. A změřili nejdříve spektrum pozadí za vrstvou olova 2mm.   Potom jsme přidali zářiče a znovu změřili spektrum. 
203
Dále byla přidána ještě jedna vrstva olova 1,5mm a znovu změřeno pozadí i utlumené spektrum se zářiči. Výsledné grafické zpracování je rozděleno do dvou grafů, kvůli odlišným požadavkům na rozsahy os pro jednotlivé zářiče.  
204
 
776 kaklik 205
\begin{figure}
945 kaklik 206
\label{stineni}
776 kaklik 207
\begin{center}
945 kaklik 208
\includegraphics [width=150mm] {stineni.png} 
776 kaklik 209
\end{center}
945 kaklik 210
\caption{Útlum vrstvy olova pro Co} 
776 kaklik 211
\end{figure}
212
 
213
\begin{figure}
945 kaklik 214
\label{stineni2}
776 kaklik 215
\begin{center}
945 kaklik 216
\includegraphics [width=150mm] {stineni2.png} 
776 kaklik 217
\end{center}
945 kaklik 218
\caption{Útlum vrstvy olova pro Cs} 
776 kaklik 219
\end{figure}
220
 
946 kaklik 221
Z grafů pro útlumy je vidět, že při měření byly získány hodnoty pro tři tloušťky olova $d=0$, $d=2$, $d=3,5$ mm. Avšak pro fit jsou využity pouze dva. Je to z důvodu, že třetí bod nemá pro měření význam a je metodickou chybou měření. Důsledkem toho ale je, že fit má dva parametry a je fitován přes dva body, což znemožňuje určit jeho nejistotu. 
776 kaklik 222
 
945 kaklik 223
\begin{table}[h]
224
\centering
225
\begin{tabular}{ccc}
226
\hline
227
FWHM & $E_{tab}$ [keV] & $\mu $\\ \hline
228
114,4 & 1332,492 & 0,244\\
229
109,9 & 1173,228 & 0,20 \\
230
111,3 & 661,657 & 0,038 \\
231
\hline
232
\end{tabular}
233
\caption{ Pološířky maxim jednotlivých charakteristických energií a zjištěné koeficienty útlumu $ \mu $ pro tyto energie}
234
\label{tkal}
235
\end{table}
946 kaklik 236
 
237
\begin{figure}
238
\begin{center}
239
\label{amplituda}
240
\includegraphics [width=80mm] {utlum0.png} 
241
\includegraphics [width=80mm] {utlum2.png}
242
\includegraphics [width=80mm] {utlum35.png}  
243
\caption{Naměřené hodnoty pro jednotlivé konfigurace stínění olovem. Obrázky ukazují princip vzniku "záporného útlumu olova".}
244
\end{center}
245
\end{figure}
776 kaklik 246
 
946 kaklik 247
Důvod, proč u poslední nejtlustší vrstvy olova vyšel záporný útlum může být například v konfiguraci scintilačního krystalu před fotonásobičem neboť krystal je pravděpodobně umístěn v detektoru rovnoběžně se stěnou detektoru. A my jsme stínění na detektor pokládali také rovnoběžně s touto stěnou, to znamená, že boční stínění bylo minimální. následně vzhledem k tomu, že měření bylo prováděno poměrově vůči "stíněnému pozadí v radiačnímu místnosti" a zářič byl během této doby pokládán nedaleko v rovině scintilačního krystalu, tak nastala situace, že naměřené radiační pozadí v místnosti je větší, než následné měření stínění ozářeného ze zářičů Co a Cs. 
945 kaklik 248
 
776 kaklik 249
\begin{figure}
945 kaklik 250
\label{stineni2}
776 kaklik 251
\begin{center}
945 kaklik 252
\includegraphics [width=150mm] {utlum.png} 
776 kaklik 253
\end{center}
945 kaklik 254
\caption{Útlum pro jednotlivé vrstvy olova s odečteným pozadím} 
776 kaklik 255
\end{figure}
256
 
767 kaklik 257
\section{Diskuse}
775 kaklik 258
\begin{enumerate}
776 kaklik 259
\item Po správném nastavení osciloskopu připojeného na jednokanálový spektrometr bylo vidět průběhy mnoha pulzů překrývajících se přes sebe. Kde ve vyšších amplitudách byla patrná jistá nehomogenita,podle které bylo možno předpokládat existenci charakteristického píku.
767 kaklik 260
 
945 kaklik 261
\item Tento bod byl vynechán.
767 kaklik 262
 
946 kaklik 263
\item Mnohokanálovým analyzátorem jsme naměřili  spektra zářičů $^{241}\rm Am$, $^{60}\rm Co, ^{137}\rm Cs$ a $^{133}\rm Ba$ 
767 kaklik 264
 
945 kaklik 265
\item Díky znalosti charakteristických energií jsme získali kalibrační křivku detektoru a také jeho rozlišovací schopnost v závislosti na energii záření. Obě tyto charakteristiky byly vyneseny v grafech. 
775 kaklik 266
 
945 kaklik 267
\item  V naměřeném spektru cesia jsme pak identifikovali další jevy, jako špičku zpětného rozptylu na 218 keV, součtový pík na 1341,31 keV a Comptonovu hranu na 447,306 keV. Sekundární rentgenové záření je pravděpodobně utopeno v šumu. 
775 kaklik 268
 
945 kaklik 269
\item Neznámý zářič jsme díky charakteristické energii 1275,2 keV identifikovali jako $^{22}\rm Na$.
775 kaklik 270
 
945 kaklik 271
\item Spektrálním analyzátorem jsem také naměřili přírodní pozadí v místnosti. Ale nepodařilo se v naměřeném pozadí identifikovat konkrétní zářiče, protože naměřená data neobsahují, žádný identifikovatelný pík, kromě špiček od našich zářičů špatně odstíněných během měření. 
775 kaklik 272
 
946 kaklik 273
\item Z naměřených dat při atenuaci záření olovem jsme určili koeficienty útlumu pro jednotlivé energie námi použitých zářičů $^{60}\rm Co, ^{137}\rm Cs$.
776 kaklik 274
 
775 kaklik 275
\end{enumerate}
276
 
767 kaklik 277
\section{Závěr}
945 kaklik 278
V měření se podařilo získat spektra zářičů $ ^{137}\rm Cs$ , $^{241}\rm Am$, $^{60}\rm Co$ a $^{133}\rm Ba$ kalibrovat scintilační detektor a zjistit jeho energetické rozlišení. A následně i identifikovat neznámý zářič jako $^{22}\rm Na$. Zajímavým výsledkem, je "záporný útlum olova" způsobený pravděpodobně geometrií aparatury a citlivostí detektoru na záření přicházející z boku.  
767 kaklik 279
 
280
\begin{thebibliography}{10}      %REFERENCE
945 kaklik 281
\bibitem{3} {http://praktikum.fjfi.cvut.cz/mod/resource/view.php?id=196}{ -Zadání úlohy}
767 kaklik 282
\end{thebibliography}
283
 
284
\end{document}