ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ 2 ΕΡΓΑΣΙΑ: Χρονική φασματοσκοπία- χρήση συστήματος TAC-μέτρηση μικρών χρόνων ζωής

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ 2 ΕΡΓΑΣΙΑ: Χρονική φασματοσκοπία- χρήση συστήματος TAC-μέτρηση μικρών χρόνων ζωής Αλέξανδρος Κετικίδης ΑΕΜ: /6/14 κ.χαρδάλας

2 Περίληψη Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μέτρηση του χρόνου ζωής πυρηνικών σταθμών, και ειδικότερα σταθμών διεγερμένων πυρήνων 237 Νp που προκύπτουν από την διάσπαση του 241 Am με εκπομπή σωματιδίων α. Επίσης η μελέτη του συστήματος TAC ( Time to Amplitude Converter) με την οποία γίνεται η διεξαγωγή του πειράματος. Θεωρητική Εισαγωγή Ο ΤAC είναι μια μονάδα πολύ χρήσιμη για την χρονική μελέτη πυρηνικών διασπάσεων η οποία μετατρέπει την χρονική διαφορά των παλμών που φτάνουν στις εισόδους START και STOP σε ύψος παλμών, μετράει δε χρονικές διαφορές μέχρι τάξεως sec. Πριν αναλύσουμε τους τρόπους βαθμολόγησης ενός ΤAC καθώς και τη μέθοδο του καθυστερημένου ταυτοχρονισμού καλό θα ήταν να αναφέρουμε ότι : Στην αντίδραση διάσπασης 241 Am -> 237 Νp + μας ενδιαφέρει ο κλάδος που οδηγεί σε ενέργεια 59,54 ΚeV και αποδιεγείρεται με μέσο χρόνο ζωής τ=63nsec, εκπέμποντας ένα με ενέργεια 59,54 ΚeV (94% πιθανότητα) ή δύο φωτόνια(6%). Ο καλύτερος τρόπος για να μετρηθεί ο μέσος χρόνος ζωής αυτής της στάθμης είναι η τεχνική του καθυστερημένου ταυτοχρονισμού με TAC. Η τελευταία μέθοδος στηρίζεται στην αρχή ότι κάθε μεμονωμένο γεγονός ανάγεται σε μια κοινή αρχή μέτρησης του χρόνου. Εμείς αυτή την αρχή των χρόνων την ορίζουμε την στιγμή δημιουργίας της διεγερμένης στάθμης της οποίας θέλουμε να υπολογίσουμε τον χρόνο ζωής. Σύμφωνα με την σύμβαση αυτή μπορούμε να έχουμε μια κατάσταση στην οποία κάθε διεγερμένη κατάσταση να δημιουργείται την ίδια χρονική στιγμή. Άρα ένα προς μελέτη ισότοπο θα πρέπει να εκπέμπει τουλάχιστον μια ακόμη ακτινοβολία ώστε να καθορίζεται από αυτήν η δημιουργία της διεγερμένης στάθμης. Στην δική μας άσκηση θα έχουμε ακτινοβολίες α και γ (α,γ ταυτοχρονισμός). Όσον αφορά την βαθμολογία του TAC, που θα κάνουμε στην συνέχεια, γενικά εννοούμε την εύρεση της σχέση μεταξύ της χρονικής διαφοράς των παλμών στις εξόδους START, STOP και του ύψους παλμού εξόδου. Η βαθμολόγηση γίνετε εισάγοντας γνωστή καθυστέρηση στον κλάδο STOP. Ανάλογα την χρονική τάξη της καθυστέρησης μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε είτε καλώδια γνωστού μήκους( μέχρι 100 ns) είτε ηλεκτρονική καθυστέρηση. Εμείς θα κάνουμε βαθμολόγηση με ηλεκτρονική καθυστέρηση και στη συνέχεια δεύτερη φορά με χρήση γεννήτριας παλμών ( time calibrators) που βγάζουν ζεύγη παλμών με γνώστη διαφορά.

3 Πειραματικό Μέρος Η Εργαστηριακή Άσκηση αποτελούταν από τέσσερις διαφορετικές πειραματικές διατάξεις χάριν μετρήσεων που όλες χρησιμοποίησαν όλα ή μερικά από τον εξοπλισμό που παραθέτω παρακάτω. Κάθε πείραμα θα μελετηθεί και τα επεξεργαστεί ξεχωριστά. Πειραματική διάταξη Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα ήταν: ένας TAC, ένας απαριθμητής σπινθηριστών με ανθρακένιο και ένας με NaI (Tl), δυο τροφοδοτικά τάσης, προενισχυτής, δυο γραμμικοί ενισχυτές, δυο timing αναλυτές, μια γεννήτρια παλμών, ένας time calibrator, δυο καταμετρηστές, δυο τροφοδοτικά NIM Πειραματική Διαδικασία και Επεξεργασία Α) Αρχικά για την βαθμολογία με ηλεκτρονική καθυστέρηση οδηγήσαμε το σήμα της γεννήτριας παλμών σε δυο ενισχυτές και το σήμα κάθε ενισχυτή σε ένα timing SCA. Στη συνέχεια το σήμα του ενός timing SCA το περάσαμε ως START στον TAC και του άλλου ως STOP στον TAC(σχήμα 1). Πριν να ξεκινήσω τις μετρήσεις ελέγξαμε στον παλμογράφο τον παλμό και αν ο κίτρινος παλμός του START ήταν πιο μπροστά χρονικά από τον μπλε του STOP. Σχήμα 1: Συνδεσμολογία για βαθμολογία με ηλεκτρονική καθυστέρηση. Ρυθμίσαμε την γεννήτρια παλμών ώστε να έχουμε στην έξοδο του ενισχυτή θετικούς παλμούς των 5V περίπου και για τα δυο κανάλια και ο χρόνος πτώσης των παλμών να είναι 50μsec. Ορίσαμε την περιοχή του TAC(time range) στα 5μsec και

4 το delay range στα 1-11μsec. Βάλαμε στο ποτενσιόμετρο των καθυστερήσεων των αναλυτών ενός καναλιού τις θέσεις στην συνέχεια πήραμε το φάσμα. Το φάσμα για να είναι καλό θα πρέπει να καλύψουμε διάστημα 400ns, παίρνουμε λοιπόν τις μετρήσεις αλλάζοντας την καθυστέρηση από 1 μs έως 5,5 μs με βήμα 0,3 μs.τα αποτελέσματα φαίνονται στον Πίνακα Α: ΠΙΝΑΚΑΣ Α time(μsec) Channel ,3 89 1, , , , , , ,4 539,5 3, , , , , , Όταν οι μετρήσεις μοιράζονται σε δύο κορυφές παίρνουμε το μεσαίο κανάλι. Κάνουμε την γραφική παράσταση προκειμένου να βαθμολογήσουμε τον TAC και να δούμε την σχέση εξάρτησης. Σχήμα 2 : Γραμμική εξάρτηση καναλιού- χρόνου

5 Στο παραπάνω σχήμα από την εφαρμογή της ευθεία ελαχίστων τετραγώνων έχουμε : όπου y=channel και x=time B) Στη συνέχεια θα κάνουμε βαθμολόγηση του TAC με χρήση time calibrator που όπως αναφέραμε στην εισαγωγή είναι γεννήτριες παλμών στις οποίες τα ζεύγη παλμών που παράγονται έχουν ρυθμιζόμενη (άρα γνωστή) διαφορά. Οπότε κάναμε την συνδεσμολογία του σχήματος 3, θέσαμε το time range του TAC στα 5μsec και επίσης ρυθμίσαμε στον time calibrator Range=5,12μsec (για να είναι κοντά στον TAC) και περίοδο=0,32μsec και θα πάρουμε ζεύγη παλμών με χρονική διαφορά 0,32 για την πρώτη κορυφή, 2*0,32 για την δεύτερη, κ.ο.κ μέχρι να φτάσουμε τα 5,12μsec (ΠΙΝΑΚΑΣ Β). Σχήμα 3: Συνδεσμολογία για βαθμολογία TAC με χρήση time calibrator. ΠΙΝΑΚΑΣ Β time(μsec) Channel , , , , , , ,24 593,5 3, , , , ,84 951,5

6 *Είχαμε και μια μέτρηση στα 5,16μsec άλλα δεν την περιέλαβα στην επεξεργασία διότι είναι μετά το Range που θέσαμε. Βλέπουμε παρακάτω στο σχήμα 4 την γραμμική εξάρτηση και σύμφωνα με την Ε.Ε.Τ έχουμε : Σχήμα 4 : Γραμμική εξάρτηση καναλιού- χρόνου (time calibrator) Γ) Σε αυτό το σημείο θα υπολογίσουμε τον μέσο χρόνο ζωής που έχει η στάθμη ενέργειας 59,54 ΚeV του 241 Am μετά την διάσπαση : 241 Am -> 237 Νp + που είδαμε και στην θεωρητική εισαγωγή. Η μέθοδος που ακολουθήσαμε για να μετρήσουμε αυτόν το χρόνο ονομάζεται τεχνική του καθυστερημένου ταυτοχρονισμού όπως έχουμε αναφέρει και επομένως θεωρούμε ότι όλες οι διεγερμένες καταστάσεις δημιουργούνται την ίδια χρονική στιγμή. Προφανώς θα πρέπει να εκπέμπεται μια ακόμη ακτινοβολία που θα καθορίζει την διεγερμένη στάθμη και στην περίπτωσή μας θα είναι άλφα ακτινοβολία. Η διάταξή του πειράματος φαίνεται στο σχήμα 5 και επιπλέον για τον απαριθμητή των σωματιδίων άλφα δίνουμε τάση V και για τον απαριθμητή των γάμμα V. Παίρνουμε φάσματα από δύο απαριθμητές για να κόψουμε γεγονότα από τον TAC. Επίσης αναφέρουμε ότι δεν μπορώ να πάρω MCA γιατί θα έχω διαφορά στην αντίσταση του καλωδίου ( 10-8,2 V).

7 Σχήμα 5: Συνδεσμολογία για τη μέτρηση του χρόνου ζωής της στάθμης των 59,54 kev του 241 Am Για διάφορες τιμές κατωφλιού καταγράψαμε τις παρακάτω μετρήσεις α,γ γεγονότων : ΠΙΝΑΚΑΣ Γ Κατώφλι(mV) γεγονότα α γεγονοτα γ 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

8 Γεγονότα γ Γεγονότα α Τα διαγράμματα που προέκυψαν για τα α και γ γεγονότα : Κατώφλι(mV) Σχήμα 6: Φάσμα σωματιδίων α συναρτήσει του κατωφλίου Κατώφλι(mV) Σχήμα 7: Φάσμα σωματιδίων γ συναρτήσει του κατωφλίου Παρατηρώντας τα σχήματα βλέπουμε ότι η διεισδυτική α-διάσπαση έχει συνεχές φάσμα επειδή μπορεί να εισέρχεται υπό διαφορετικές γωνίες άρα και διαφορετικά πάχη στην διείσδυση της. Παίρνουμε από τις μετρήσεις ως κατώφλι για τα α-γεγονότα το 1,40mV και ως παράθυρο όλο το υπόλοιπο. Για τα γ-γεγονότα ως κατώφλι το 3,20mV και από εκεί και έπειτα παράθυρο.

9 Events Στη συνέχεια ρυθμίζουμε τα παράθυρα των αναλυτών ενός καναλιού στις τιμές που βρήκαμε παραπάνω ώστε να απομονώνονται οι επιθυμητές περιοχές των άλφα και των γάμμα αντίστοιχα. Βάζουμε καθυστέρηση στα α- γεγονότα που συνδέονται στο STOP. Τοποθετούμε τους διακόπτες delay range των αναλυτών ενός καναλιού στην περιοχή 1 11 μs και παίρνουμε το φάσμα των παλμών του TAC: Channel Σχήμα 8 : Φάσμα ΤAC Στο παραπάνω διάγραμμα, για να βρούμε τις τυχαίες συμπτώσεις, με το πρόγραμμα στον υπολογιστή κάνοντας ROI-START και ROI-STOP απομονώσαμε μια περιοχή 100 περίπου καναλιών πριν την χρονική συμφωνία, βρίσκουμε το εμβαδόν και το διαιρούμε δια τον αριθμό των καναλιών. Το βάλαμε να μετράει τα γεγονότα και μέτρησε γεγονότα. Άρα έχουμε. Αυτές τις τυχαίες συμπτώσεις τις αφαιρούμε από τα γεγονότα κάθε καναλιού. Για να βρούμε τον μέσο χρόνο ζωής τ, θα πρέπει να πάρουμε την περιοχή του πάνω φάσματος από το σημείο που ξεκινά η άνοδος-μέχρι την φωτοκορυφή, και να κάνουμε ένα καινούργιο διάγραμμα γεγονότων συναρτήσει του χρόνου. Αυτό θα το κάνουμε γιατί περιμένουμε μια καμπύλη της μορφής : (1) που περιγράφει τον εκθετικό νόμο ραδιενεργών διασπάσεων. Για να μετατρέψουμε όμως τα κανάλια σε χρόνο χρειαζόμαστε τις σχέσεις βαθμολόγησης που υπολογίσαμε προηγουμένως. Από αυτές τις δύο βγάζουμε ένα μέσο όρο για τις ποσότητες α, b και έτσι έχουμε την σχέση : (2)

10 Οι επεξεργασμένες μετρήσεις φαίνονται στον Πίνακα Δ στο τέλος της εργασίας, ακολουθεί το διάγραμμα γεγονότων συναρτήσει χρόνου : Παίρνουμε λοιπόν μια εξίσωση της μορφής (1) με θετικό εκθέτη ο οποίος ταυτίζεται με το λ (σταθερά διάσπασης) : και λ= Εχουμε μάθει από την διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων ότι ο μέσος χρόνος ζωής μιας στάθμης ισούται με : τ=1/λ (3) παίρνουμε τ=0,1107 μsec ή 111 nsec περίπου. σύμφωνα με την οποία Συμπεράσματα-Παρατηρήσεις Αρχικά θέλω να επισημάνω ότι ολοκληρώνοντας το πείραμα κατάλαβα την σημασία που έχει ο TAC και η τεχνική του καθυστερημένου ταυτοχρονισμού για μετρήσεις πυρηνικών σταθμών. Όσον αφορά τα αποτελέσματα : ο μέσος χρόνος ζωής που θεωρητικά σύμφωνα με την βιβλιογραφία είναι 63 nsec βρέ8εηκε 111 nsec. Μία ελάχιστα πιο κοντά στην πραγματική μπορούσαμε

11 να βρούμε αν δεν παίρναμε τον μέσο όρο των συντελεστών στην εξίσωση βαθμολόγησης, αλλά παίρναμε μόνο την βαθμολόγηση που προέκυψε από το πείραμα με τον time calibrator. Άρα ένα συμπέρασμα είναι ότι αυτή η συνδεσμολογία μας δίνει καλύτερα πειραματικά αποτελέσματα. Το σίγουρο συμπέρασμα όμως που βγαίνει από την τελική τιμή του μέσου χρόνου ζωής είναι ότι το φάσμα μας είναι εργαστηριακό και για να πάρουμε τιμές πιο κοντά στις θεωρητικές χρειάζεται περαιτέρω ανάλυση. Έτσι στο φάσμα μας υπάρχουν επιπλέον ενδεχόμενα από το περιβάλλον που αλλοιώνουν τις μετρήσεις και μας βγάζουν μεγαλύτερη τιμή. ΠΙΝΑΚΑΣ Δ time(μs) EVENTS time(μs) EVENTS time(μs) EVENTS 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

12