ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ 2 ΕΡΓΑΣΙΑ : ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΚΑΝΔΑΛΙΣΜΟΥ

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ 2 ΕΡΓΑΣΙΑ : ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΚΑΝΔΑΛΙΣΜΟΥ Κετικίδης Αλέξανδρος ΑΕΜ : /3/14 Διδάσκων : κ. Ελευθεριάδης

2 Περίληψη Στο πείραμα αυτό μελετήσαμε ένα σύστημα σκανδαλισμού δυο σπινθηριστών που ανιχνεύουν την κοσμική ακτινοβολία. Με βάση με μεθοδολογία και σειρά βημάτων από το site του εργαστηρίου πραγματοποιήσαμε τις πειραματικές διατάξεις και επεξεργαστήκαμε τα αποτελέσματα όπως θα παρουσιαστούν παρακάτω. Θεωρητική Εισαγωγή Στο πείραμα χρησιμοποιήσαμε δύο σπινθηριστές. Συνοπτικά η διαδικασία η οποία γίνεται για να πάρουμε σήμα (σε έναν απαριθμητή σπινθηρισμών) είναι η εξής(σχήμα 1): φωτόνια από τα φυσικά ραδιενεργά(περιβάλλον) και σωμάτια από την κοσμική ακτινοβολία εισέρχονται στον σπινθηριστή, τα σωμάτια αυτά ιονίζουν και δημιουργούν, λόγω αντιδράσεων σχάσης Compton και φωτοηλεκτρικού ( και λόγω διάσπασης μιονίου), ηλεκτρόνια και φωτόνια όταν τελικά αποδιεγείρονται. Η πληροφορία της αρχικής ενέργειας διατηρείται δεδομένου ότι ο αριθμός των παραγόμενων φωτονίων είναι ανάλογος της ενέργειας αυτής. Όλα τα φωτόνια ( αρχικά και παραχθέντα) συγκεντρώνονται στην φωτοκάθοδο του πολλαπλασιαστή όπου δημιουργούνται ηλεκτρόνια τα οποία πολλαπλασιάζονται με τις δυνόδους και έτσι έχουμε ένα ηλεκτρικό σήμα. Το ηλεκτρικό σήμα με τα όργανα μετρήσεων που μπούμε να χρησιμοποιήσουμε το ανιχνεύουμε με μορφή παλμών, ώστε και να μπορέσουμε να το επεξεργαστούμε όπως και κάναμε. Σχήμα 1 : Διάταξη απαριθμητή σπινθηρισμών

3 Πειραματικό Μέρος Πειραματική Διάταξη Σε αυτό το πείραμα εκτός από τους δύο σπινθηριστές διαφορετικού μεγέθους τοποθετημένους ο μικρός πάνω στον μεγάλο, χρησιμοποιήσαμε μιά μονάδα σύμπτωσης( coincidence, μπλε συσκευή), ένας διευκρινιστής ( κόκκινη συσκευή ), δύο καταμετρητές (σχήμα 2) και έναν παλμογράφο. Σχήμα 2 : Διάταξη πειράματος Συνοπτικά : Η μονάδα σύμπτωσης έχει τέσσερις εισόδους και τέσσερις εξόδους και όταν παλμοί εισόδου αλληλεπικαλύπτονται τότε παρέχει στη έξοδο τετραγωνικό παλμό. Από την θέση W ρυθμίζουμε και το πλάτος του παλμού. Ο διευκρινιστής δέχεται σήματα στην είσοδο και ανάλογα αν αυτά είναι μεγαλύτερά από το κατώφλι του τότε δίνει στην έξοδο έναν τετραγωνικό παλμό. Ρυθμίζουμε το ύψος του κατωφλιού με ένα βολτόμετρο και κατσαβίδι όπως θα περιγραφεί αργότερα. ετσι μπορούμε να διαχωρίσουμε μεγάλους από μικρούς παλμούς και να απομονώσουμε τον θόρυβο. Στο πείραμα αρχικά χρησιμοποιήσαμε μόνο τον παμλογράφο και καθώς προχωρούσαμε στις επόμενες ερωτήσεις χρησιμοποιήσαμε όλα τα μηχανήματα της διάταξης.

4 Πειραματική διαδικασία και επεξεργασία μετρήσεων Ξεκινώντας ελέγξαμε αν οι απαριθμητές ήταν σωστά συνδεδεμένοι και αν είναι τοποθετημένοι σωστά ο μικρότερος (με τάση λειτουργίας 2010 V), πάνω στον μεγάλο (με τάση λειτουργίας 1410 V), ώστε να υπάρχει μέγιστη αλληλεπικάλυψη. Οι απαριθμητές ήταν συνδεδεμένοι και ανάψαμε το τροφοδοτικό υψηλής τάσης του NIM. Αρχικά για τον πρώτο και στην συνέχεια για τον δεύτερο κάναμε τα εξής βήματα : α) Συνδέσαμε τον μικρό σπινθηριστή με τον παλμογράφο β)τοποθετήσαμε την κατάλληλη τάση λειτουργίας του μικρού σπινθηριστή (1410 V) και είδαμε σήμα 0,5 Volt στο παλμογράφο, αντίστοιχα για τον μεγάλο είδαμε 2 Volt γ) Συνδέσαμε ύστερα ένα καλώδιο στην είσοδο του πρώτου καναλιού του discriminator και στην συνέχεια συνδέσαμε μια έξοδο στον παλμογράφο και ρυθμίσαμε το πλάτος του παλμού να είναι 40 ns και προέκυψε ύψους 800 mv. Τέλος συνδέσαμε και τον καταμετρητή. δ) Για να πούμε ότι ο διευκρινιστης είχε συγκεκριμένη λειτουργία έπρεπε να θέσουμε ένα κατώφλι δυναμικού κάτω από το οποίο θα κόβει τα σήματα και για τα υπόλοιπα θα δίνει τετραγωνικό παλμό. Το κατώφλι αυτό και για τον πρώτο και για τον δεύτερο το ξεκινήσαμε από τα 10,4 mv, 20,2 mv, 30,1 mv, 50,1mV και καταλήξαμε στα 69,9 mv περίπου με τον εξής τρόπο : Με ένα μικρό κατσαβίδι αλλάζαμε την τάση από μια οπή πού μόλις φαίνεται μεταξύ των εξόδων στο σχήμα 2, από τις άλλες 2 εξόδους την μία την κλείσαμε με αντίσταση 50Ω ( για να μην έχουμε παρεμβολές από αέρα) και στην άλλη συνδέσαμε το κόκκινο καλώδιο ενός πολυμέτρου (και γειώσαμε το μαύρο). ε) την ίδια διαδικασία κάναμε όπως αναφέρθηκε και για τον μεγάλο απαριθμητή για τάσεις 10V, 20V, 29,9V, 50V και 70V αφού τον σκεπάσαμε με κουβέρτα. Στον ΠΙΝΑΚΑ Α φαίνονται οι μετρήσεις (για στρογγυλοποιημένες τάσεις) και για τους δύο απαριθμητές, ο χρόνος κάθε μέτρησης ήταν 30 sec.

5 ΠΙΝΑΚΑΣ Α Κατώφλι (mv) Γεγονότα Μικρού Γεγονότα Μεγάλου Με τον ΠΙΝΑΚΑ Α βλέπουμε όπως ήταν λογικό ότι για τον μεγάλο απαριθμητή για ίδιες τάσεις μετρώνται πολύ περισσότερα γεγονότα ( δύναμη του δέκα). Οι τιμές πρέπιε να μικραίνουν καθώς όσο αυξάνουμε το κατώφλι κόβουμε γεγονότα. στ) Συνδέσαμε στην συνέχεια στον παλμογράφο την έξοδο του διευκρινιστή για τους δύο σπινθηριστές και παρατηρήσαμε στον παλμογράφο ότι υπάρχει επικάλυψη παλμών, δηλαδή οι παλμοί του ενός σπινθηριστή καλύπτουν μέρος των παλμών του άλλου. ζ) Σύμφωνα με τις προηγούμενες μετρήσεις (πίνακα Α) θα υπολογίσουμε την πιθανότητα μη φυσικών συμπτώσεων των παλμών των δύο ανιχνευτών. Ο χρόνος μέτρησης ήταν 30 sec και το πλάτος του κά8ε παλμού είχε ρυθμιστεί στα 40 ns οπότε και η μέγιστη αλληλεπικάλυψη των δύο παλμών θα έχει πλάτος 80 ns. O μικρός σπινθηριστής είχε κατώφλι 10 V και 2546 γεγονότα και ο μεγάλος 30 V και 4755 γεγονότα. Ο παλμός διαρκεί 40ns, ισχύει ότι αν πέσει ένα βελάκι η πιθανότητα να βρει τον παλμό είναι 40ns/1ns. Αν έχει διαστάσεις 40ns η πιθανότητα είναι (40+ 40)ns /1 ns και αν πέσουν παλμοί n 1, n 2 : 80 ( n 1 x n 2 ) / 30ns. Οπότε και έχουμε ότι οι τυχαίες συγκρούσεις είναι N= 80 x (2456 x4755)/ 30 =0, sec και άρα η πιθανότητα αλληλεπικάλυψης είναι 0,104% η) Στη συνέχεια συνδέσαμε και την μονάδα coincidence ( σύμπτωσης) στο σύστημα και μία έξοδό της στον scaler ( καταμετρητής ). Δεδομένου ότι ο ρυθμός των κοσμικών μιονίων είναι 100 ανά τετραγωνικό μέτρο και ανά δευτερόλεπτο θα ελέγξουμε αν ο ρυθμός που βλέπουμε εμείς είναι

6 συμβατός. Για να συμβαίνει αυτό υπολογίζουμε με τα δεδομένα του δικού μας ανιχνευτή ότι θα πρέπει να μετρά περίπου 50 γεγονότα Μετρήσαμε για 30 sec ενώ ο μικρότερος σπινθηριστής είχε τάση κατωφλιού 10 mv ενώ ο μεγάλος είχε 70mV και βρήκαμε 37 γεγονότα. Η τιμή δεν ήταν καλή για αυτό επαναλάβαμε για τάση μεγάλου 50 mv όπου πήραμε 41 γεγονότα και τέλος για τάση μεγάλου 30 mv όπου πηραμε σχετικά ακλή τιμή 45 γεγονότα. θ) Έπειτα χωρίσαμε το αναλογικό σήμα των σπινθιριστών ( με ένα Τ μόνο στον μεγάλο) και οδηγήσαμε τον ένα κλάδο σε μονάδα Delay(καθυστέρησης) και στην συνέχεια στον παλμογράφο ενώ τον άλλον στον discriminator. Συνδέσαμε τέλος και την έξοδο της μονάδας coincidence στον παλμογράφο ως external trigger. Παρατηρήσαμε πως με την βοήθεια του καθυστερητή τα σήματα των δύο απαριθμητών συγχρονίζονται και έχουμε σύμπτωση και πλέον ίση χρονική διάρκεια. Βάλαμε μάλιστα καθυστέρηση ns στον μεγάλο. η) Μπορούμε από τον παλμογράφο να κάνουμε trigger( σκανδαλίσουμε) το κανάλι 1 και να δούμε έτσι τα σήματα που θα εμφανιστούν από το κανάλι 2. Τα σήματα αυτά προέρχονται από κοσμικά μιόνια και θεωρούμε ότι είναι τριγωνικά ώστε να μπορούμε να μετρήσουμε τις διαστάσεις τους. Άρα παγώσαμε την οθόνη σε μια στιγμή που είχαμε καθαρό και μεγάλο τριγωνικό σήμα και πήραμε μέτρηση για τον μικρό σπινθηριστή σήματος πλάτους 20ns (άξονας x->χρόνος) και ύψους 130mV (άξονας y-> τάση). Με βάση τον τύπο του Οhm : I = V R (1) και επειδή γνωρίζουμε ότι η αντίσταση είναι R=50Ω έχουμε Ι=2,6mA. Τελικός σκοπός μας είναι να υπολογίσουμε το φορτίο και των δύο σπινθηριστών και να το συγκρίνουμε. Εφόσον ξέρουμε το ρεύμα και ισχύει και ο τύπος : Q= I t λόγω τριγώνου Q 1 It (2) οπότε έχουμε : 2 Q=1/2 x 20ns x 2,6 mα = 26 x C το φορτίο του μικρού. Για τον μεγάλο μετρήσαμε κάνοντας πάλι την ίδια διαδικασία σκανδαλισμού : σήμα πλάτους 40ns και ύψους 600 mv. Πέρνουμε τον τύπο 1 και βρίσκουμε για το ρεύμα I=12mA και έπειτα τον τύπο 2 και βρίσκουμε ότι το φoρτίο του μεγάλου είναι Q=1/2 x 40ns x 12 ma = 240 x10-12 C

7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Κάνοντας ένα τελικό απολογισμό μελετήσαμε το σύστημα σκανδαλισμού δύο σπινθηριστών χρησιμοποιώντας το trigger για να επεξεργαστούμε ξεχωριστά αλλά και μαζί τούς παλμούς. Όσον αφορά το τελικό αποτέλεσμα και την διαφορά σε δύναμη του δέκα από φορτίο μικρού σπινθηριστή σε φορτίο μεγάλου εναποθέτουμε την αιτία στην διαφορά μεγέθους. Όσο πιο μεγάλος είναι τόσο πιο πολλά σωματίδια εισέρχονται, τόσο περισσότεροι ιονισμοί και αποδιεγέρσεις γίνονται, τόσο πιο πολλά (όπως είδαμε ) δεδομένα παράγει, και εν τέλει τόσο πιο πολύ φορτίο συγκεντρώνει. Παρόλα αυτά όπως συζητήθηκε και στην τάξη παίζει όχι αμελητέο ρόλο και οι τάσεις των σπινθηριστών