| Szerkesztés alatt! |
|
| Szerkesztés alatt! |
|
A magfizikai kutatások, az alkalmazott magfizika és izotóptechnika egyik leggyakrabban előforduló feladata radioaktív sugárzások, elsősorban gamma és béta részecskék energia eloszlásának kísérleti meghatározása. Igen sok esetben ugyanis az aktív magokból kibocsátott részecskék energiája, ill. energia eloszlása (N(E), energiaspektruma) hordozza a kísérletező számára fontos információt.
Radioaktív sugárzások energia eloszlásának mérésére több különböző elven működő detektortípust dolgoztak ki, melyek tényleges felépítésükben, természetesen figyelembe veszik, hogy a vizsgálni kívánt sugárzás milyen tulajdonságú részecskékből áll. Így a sugárzás és a detektor anyaga közötti eltérő kölcsönhatásnak megfelelően más és más detektorokat kell alkalmazni az alfa, béta, vagy gamma (röntgen) sugárzások mérése esetén. Még ugyanazon sugárzásfajta esetén is lényeges különbség lehet az alkalmazható detektorok között aszerint, hogy alacsony, vagy nagyenergiájú sugárzást vizsgálunk.
Gamma sugárzással - és egycsatornás amplitudó analizátorral (
differenciál diszkriminátorral ) - ugyanebben a szemeszterben a PET mérésnél van dolgunk, röntgen-sugárzással a "Környezetfizikai Laboratóriumi Gyakorlatok" keretében az NFS mérésnél találkozhattunk. (Utóbbinál félvezető - Si(Li) - detektort használtunk, az impulzusokat sokcsatornás amplitidó-analizátorral dolgoztuk föl.)
Ebben a mérésben a béta-spektroszkópia gyakorlatának alapjaival ismerkedünk meg. A mérési feladatok a szcintillációs detektorokkal történő energiaeloszlás-mérés gyakorlatának bemutatását, a sokcsatornás amplitúdó-analizátorra felvett bétaspektrumok kiértékelésének terén való tapasztalatszerzést tűzik ki célul. (Vissza)
A szcintillációs detektorok fő részei a szcintillátor, a fotoelektron-sokszorozó, az erősítő és a jelfeldolgozó rendszer. A szcintillátorból (másnéven foszforból) a vizsgálandó sugárzás fénykvantumokat vált ki. A különböző célokra kifejlesztett szcintillációs detektorok egymástól általában az alkalmazott szcintillátor anyagában és méreteiben térnek el. A kis áthatolóképességű töltött részecske sugarakhoz (alfa, bétasugárzás stb..) vékony szcintillátorokat használunk, míg a nagy áthatolóképességű gamma-kvantumok detektálására (a hatásfok növelése érdekében) lehetőleg nagyméretű
szerves és szervetlen szcintillátorokat alkalmaznak.
A kelezkezett fotonok száma arányos a részecske energiájával; a fotonok átlagos energiája 3 eV körül van, tehát a láthatóak. A szcintilláló anyagot reflektáló felületekkel veszik körül, úgy, hogy a keletkezett fotonoknak lehetőleg minél nagyobb része a szcintillátorhoz fényillesztéssel csatlakozó
fotoelektron-sokszorozó
fotókatódjára jusson. A fotokatódon a fotonok kb. 10% hatásfokkal fotoelektronokat keltenek. A fotoelektron-sokszorozó csőben elhelyezett elektródarendszer a másodlagos elektronok kibocsátásával több lépésben megsokszorozza a fotoelektronok számát.
A fotoelektronsokszorozó anódjára érkező áramimpulzus a sokszorozó elektródákra (dinódákra) kapcsolt gyorsítófeszültségek meghatározott tartományában arányos a fotokatódon keltett fotoelektronok számával. A szokásos szcintillációs detektorokban 1-2 V-os feszültségimpulzusok kényelmesen előállíthatóak a detektor kimenetén. Ez általában 106-108 -szoros erősítésnek felel meg. Az így keletkezett feszültségimpulzus amplitúdója arányos a szintillátorban a felvillanást keltő részecske energiájával. A jelek legtöbbször további erősítés és jelalak-formálás után kerülnek a jelfeldolgozó rendszerbe, - jelen esetben sokcsatornás amplitudó-analizátorba, mely a jelek nagysága szerinti válogatást végzi. (Vissza)
A gyenge kölcsönhatással alacsonyabb energiájú állapotukba jutó atommagok bomlásának három típusát különböztetjük meg: a negatív béta-bomlást, a pozitív béta-bomlást és az elektronbefogást. Az első esetben az atommagból egy elektron és egy antineutrinó, a második esetben egy pozitron és egy neutrinó lép ki. Az elektronbefogásnál a gerjesztett atommag a K héjról befog egy elektront, miközben egy neutrinót bocsát ki. A pozitív és a negatív bétabomlás során az atommagot elhagyó pozitronok, ill. elektronok energiaeloszlása folytonos, mivel a kvantumátmenet energiája köztük és az ezeket kísérő neutrinók (antineutrinók) között oszlik meg. Az energiaeloszlást a következő formulával adhatjuk meg:
N±(E)=Kp(E+m0c2)(Em-E)2F(Z,E)Sn(E)Itt N±(E) a mért energiaeloszlás pozitronok (+), ill. elektronok (-) esetében, p a részecske impulzusa, E a kinetikus energia, (ezt érzékeli a detektor), Em a kvantumátmenet teljes energiája, m0c2 pedig az elektron nyugalmi energiája. A formulában szereplő Fermi-függvény a Ze töltésű atommag Coulomb hatását írja le az E energiával kirepülő részecskére. Sn(E) a béta átmenet tiltottságát figyelembe vevő korrekciós függvény (n a tiltottság fokára utal). Megengedett átmenetre (n=0) S0(E) = 1.
Ezt az összefüggést szeretnénk egyszerűbbé tenni. Elemi matematikai lépésekkel (új ismeretlenek bevezetése, egyenletrendezés...) olyan függvényt fogunk - az óra keretében - előállítani, ami a béta-részecske kinetikus energiájában lineáris. (Vissza)
A mérések során elektronokat kibocsátó két béta-sugárzó izotóppal foglalkozunk. Mindkét átmenete első rendben tiltott (gondoljunk a hosszú felezési időkre és a viszonylag nagy kvantumenergiára - ld. bomlássémák). Mindegyik esetben igaz, hogy az S (E) függvény jó közelítésben konstans. A két sugárforrás:
Az előzetes kalibráció úgy készül, hogy két, önkényesen megválasztott pontra illesztetjük az energia(csatornaszám) egyenest.
Az egyik ott van , ahol a spektrum elkezdődik (a zajszűrés beállításától függően 10-30 csatorna); ehhez rendelünk 1 keV energiát.
A 630 keV-es csúcs csatornaszámát először megbecsüljük, utána illesztjük a fenti egyenest.
Itt minél hosszabb intervallumra érdemes úgy illeszteni, hogy az R2 > 0,99 feltétel teljesüljön. (Excel: RNÉGYZET(ismert_y;ismert_x) függvény)
Ebből határozzuk meg a Cs-137 maximális bomlási energiáját (az x tengelyen azt az energiát keressük, ahol az y=0) Természetesen feltételezve, hogy a belső konverzióból adódó spektrumrésznek semmi köze a béta bomláshoz!
A finomításban a kalibráció 1 és 630 keV-es csatornaszámát úgy módósitjuk, hogy a maximális energia 511 keV legyen.
Ezen az úton meghatározva a 90Sr (pontosabban a leányelemeként keletkező 90Y) nagyobb energiájú béta-bomlásának maximális energiáját 2,2 - 2,3 MeV körüli energiát kapunk. Az irodalmi érték 2,28 MeV
A 90Sr-nek van egy 546 MeV-es bétája: Ezt a gyakorlaton nem vizsgáljuk,
(a teljes matematikai leírással megadott 2,28 MeV-es rész beütéseit levonva kapnánk meg a 546 keV-es részt).
(A zárójeles adatok 2008.10.30.elotti mérésekre igazak.)