AΣΚΗΣΗ 1 Εύρεση της περιοχής λειτουργίας και της τάσης εργασίας του απαριθµητή Geiger-Müller 1. Εισαγωγή Ο ανιχνευτής Geiger-Müller, που είναι ένα από τα πιο γνωστά όργανα µέτρησης ιονίζουσας ακτινοβολίας, βρίσκει ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών από τον έλεγχο βιοµηχανικών διεργασιών µέχρι τη µελέτη του περιβάλλοντος και την ιατρική. Η αρχή της ανάπτυξης αυτού του είδους του ανιχνευτή µας πηγαίνουν πίσω στις αρχές του προηγούµενου αιώνα. Το 1908 ο Rutherford και o Geiger (βλ. Εικ. 1) χρησιµοποίησαν τον και σήµερα γνωστό τύπο του ανιχνευτή, που αποτελείται, τις περισσότερες φορές, από έναν µεταλλικό κύλινδρο, που παίζει το ρόλο της καθόδου και ένα σύρµα (άνοδο) που βρίσκεται µονωµένο από τον κύλινδρο κατά µήκος του άξονά του, για την αναγνώριση των σωµατιδίων-α (Εικ. 2). Εικ. 1: Ο Rutherford και o Geiger στο Πανεπιστήµιο του Manchester Ο σωλήνας ήταν γεµάτος µε CO 2 ή µε αέρα υπό πίεση µερικών Torr. Ο ανιχνευτής εργαζόταν αρχικά στην περιοχή αναλογικότητας, όπου το σήµα (παλµός) του ανιχνευτή είναι ανάλογο µε την ενέργεια των σωµατιδίων που τον προσβάλλουν. Το 1913 o Geiger κατασκεύασε έναν βελτιωµένο τύπο του ανιχνευτή, που δούλευε µε αέρα υπό ατµοσφαιρική πίεση. Μ αυτόν τον ανιχνευτή ήταν δυνατή η ανίχνευση ακτινοβολίας-β και γ. 14
Εικ. 2: Τοµή ανιχνευτή end-window Geiger-Müller Η σηµερινή µορφή του ανιχνευτή Geiger-Müller αναπτύχθηκε αργότερα. ιαµορφώθηκαν µετρητικές διατάξεις µε κατάλληλα ηλεκτρονικά για τον ανιχνευτή και στο αέριο του ανιχνευτή προστέθηκαν αρχικά αλογόνα (πατέντα 1938) και αργότερα ατµοί αλκοολών ως αποσβεστικά αέρια. Όταν εισέλθει ακτινοβολία στον ενεργό όγκο του ανιχνευτή τότε δηµιουργείται µετά από πρόσκρουση µε άτοµο του αερίου του, ένα ζεύγος ιόντων. Η πορεία του φαινοµένου µπορεί να γίνει κατανοητή µε την παρακάτω περιγραφή. Φάση Α: + Τα ηλεκτρόνια που παράγονται στη φάση Α αποκτούν µέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του ανιχνευτή ικανή κινητική ενέργεια ώστε να µπορούν να προκαλέσουν δευτερογενή ιονισµό των ατόµων του αερίου. Φάση Β: + +2 Φάση Γ: Μπορεί να λάβει χώρα µερική επανασύνδεση ενός αριθµού ιόντων και ηλεκτρονίων µε εκποµπή φωτονίων + +h Φάση : Τα ανωτέρω φωτόνια µπορούν να προκαλέσουν το σχηµατισµό περαιτέρω ιόντων και µία εξάπλωση ηλεκτρικής εκκένωσης σ όλο τον όγκο του ανιχνευτή. +h = + e Τα ηλεκτρόνια κινούνται ταχύτερα από τα βαρύτερα θετικά ιόντα (κατιόντα) στο ηλεκτρικό πεδίο. Τα κατιόντα κινούµενα προς την κάθοδο επιταχύνονται και συντελούν µε κρούσεις τους στη δηµιουργία δευτερογενών ιόντων και συνεχούς εκκένωσης. Για την οµαλή λειτουργία του ανιχνευτή είναι απαραίτητη η παρεµπόδιση αυτού του περαιτέρω δευτερογενούς ιονισµού. Αυτό πραγµατοποιείται µε την προσθήκη στο αέριο του ανιχνευτή αποσβεστικών αερίων τα οποία συλλαµβάνουν κι εξουδετερώνουν τα κατιόντα. Τα µόρια των αποσβεστικών αερίων (π.χ. παλαιότερα ατµοί αλκοόλης, σήµερα κυρίως αέρια της οµάδας των αλογόνων) αποσυντίθενται. Σήµερα υπάρχουν διαθέσιµοι διάφοροι τύποι ανιχνευτών Geiger-Müller για µετρήσεις της ακτινοβολίας, στερεών, υγρών και αερίων (Εικ. 3). Ιδιαίτερη σηµασία έχουν οι ανιχνευτές µε λεπτό παράθυρο στο ένα άκρο του κυλινδρικού σωλήνα (end-window Geiger-Müller tubes, Εικ. 2) 15
Εικ. 3: Διάφορα είδη ανιχνευτών Geiger-Müller της εταιρίας LND Ένα σύστημα μετρήσεως ιονίζουσας ακτινοβολίας με ανιχνευτή Geiger- Müller αποτελείται από - τον ανιχνευτή - τη µονάδα υψηλής τάσης (συνεχούς ρεύµατος), που εξασφαλίζει την ταχεία συλλογή των ιόντων που σχηµατίζονται - το σύστηµα ενίσχυσης, που δίδει στον παλµό την κατάλληλη ένταση και µορφή για την ηλεκτρονική καταγραφή του - το σύστηµα απαρίθµησης και καταγραφής των παλµών. Στην Εικ. 4 παρουσιάζεται η φωτογραφία ενός συστήµατος ανίχνευσης ιονίζουσας ακτινοβολίας µε ανιχνευτή End-Window Geiger-Müller του ιδίου τύπου µ αυτά που χρησιµοποιούνται στις εργαστηριακές ασκήσεις. Εικ. 4: Σύγχρονο εργαστηριακό σύστηµα µέτρησης ιονίζουσας ακτινοβολίας µε ανιχνευτή End-window Geiger-Müller. 16
2. Περιοχή λειτουργίας του ανιχνευτή Geiger-Muller Όπως λέχθηκε και προηγουµένως, ο ανιχνευτής Geiger Müller είναι µία µορφή θαλάµου ιονισµού. Πρακτικά, πρόκειται για έναν πυκνωτή µε αέριο διηλεκτρικό (Εικ. 5). Εικ. 5: Σχηµατική παράσταση της διάταξης ενός θαλάµου ιονισµού Όταν δεν υπάρχει ακτινοβολία, δεν υπάρχουν ζεύγη ιόντων στον ανιχνευτή και συνεπώς δεν υφίσταται ροή ρεύµατος. Όταν εισέλθει στο σύστηµα ακτινοβολία µε ενέργεια µεγαλύτερη από την ενέργεια ιοντισµού των µορίων τότε προκαλείται ιονισµός των ατόµων και µορίων του αερίου του ανιχνευτή. Τα ηλεκτρόνια και ιόντα που δηµιουργούνται κινούνται προς τα ηλεκτρικά αντίστροφα φορτισµένα ηλεκτρόδια του πυκνωτή. Αυτή η µεταφορά φορτίου (ρεύµα) έχει ως συνέπεια την πτώση της τάσεως σε µία εξωτερική αντίσταση και τη δηµιουργία ενός παλµού, που καταγράφεται. Ανάλογα µε την εφαρµοζόµενη στα ηλεκτρόδια τάση διακρίνονται διάφορες περιοχές λειτουργίας των θαλάµων ιονισµού (Εικ. 6). Οι ανιχνευτές που προκύπτουν κατ αυτόν τον τρόπο έχουν διαφορετικές ιδιότητες και χρήσεις. Όλοι οι ανιχνευτές Geiger-Müller (GM) δεν λειτουργού κάτω από τις ίδιες συνθήκες τάσεως λόγω της κατασκευής τους και του αερίου που περιέχουν. Γι αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η γνώση της περιοχής και της βέλτιστης τάσης λειτουργίας (τάση εργασίας) τους. Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά του ανιχνευτή µπορούν να προσδιορισθούν πειραµατικά χρησιµοποιώντας µία ασθενή πηγή ακτινοβολίας, που τοποθετείται µπροστά στο παράθυρο του ανιχνευτή. Με τον όρο περιοχή λειτουργίας του ανιχνευτή Geiger-Müller (G-M) ή πλατώ (plateau), θεωρούµε την περιοχή της τάσης µέσα στα όρια της οποίας ο αριθµός των παλµών στη µονάδα του χρόνου, που καταγράφεται, µεταβάλλεται ελάχιστα µε τη µεταβολή της τάσης (βλ. Εικ. 7). Αν αυξηθεί η τάση περαιτέρω τότε παρατηρούνται συνεχείς ηλεκτρικές εκκενώσεις στον ανιχνευτή, που όχι µόνο δεν επιτρέπουν την οµαλή του λειτουργία αλλά µειώνουν και τη διάρκεια ζωής του. 17
Εικ. 6: Περιοχές λειτουργίας θαλάµων ιονισµού. Εικ. 7: Περιοχή λειτουργίας (Plateau) ανιχνευτή Geiger- Müller Η τάση εργασίας του ανιχνευτή (V Ε0 ) επιλέγεται στο µέσο της περιοχής λειτουργίας του, ώστε µικρές αυξοµειώσεις της εφαρµοζοµένης τάσης να µην επηρεάζουν τον ρυθµό των µετρήσεων. Αν το τέλος της περιοχής λειτουργίας δεν είναι σαφές, για να αποφύγουµε την επικίνδυνη αύξηση της τάσης, λαµβάνεται ως τάση εργασίας µία τιµή 50-100 νolts υψηλότερα από την έναρξη 18
της περιοχής τάσεως λειτουργίας. Για την απόδοση του µέτρου της καταγραφόµενης ακτινοβολίας χρησιµοποιείται ο όρος ρυθµός απαρίθµησης, I, ο οποίος συνήθως εκφράζεται σε παλµούς ανά λεπτό (cpm = counts per minute) ή παλµούς ανά δευτερόλεπτο (cps = counts per second). Η σηµασία του ρυθµού απαρίθµησης είναι η εξής: Για να αποφύγουµε ένα τυχόν µεγάλο στατιστικό σφάλµα κατά την µέτρηση της ακτινοβολίας µιας ασθενούς πηγής,παίρνουµε µετρήσεις για ένα σχετικά µεγάλο χρόνο και τις αναγάγουµε στη µονάδα του χρόνου που είναι εξ ορισµού ο ρυθµός απαρίθµησης. Ο ρυθµός απαρίθµησης εξαρτάται από την απόδοση του ανιχνευτή, που εµπεριέχει δεδοµένα για χαρακτηριστικά του, το µεγεθός του, το πάχος του παραθύρου του και τη στερεά γωνία µε την οποία η πηγή βλέπει τον ανιχνευτή 1. Επίσης ο ρυθµός απαρίθµησης εξαρτάται και από τον νεκρό χρόνο του ανιχνευτή (βλ. Άσκηση 2) και φυσικά από το ρυθµό διασπάσεως (ένταση ραδιενέργειας) της πηγής. 1 Η στερεά γωνία Ω σε sr μπορεί να υπολογισθεί με δεδομένα την επιφάνεια του παραθύρου του ανιχνευτή (S) και την απόσταση ανιχνευτή και πηγής ακτινοβολίας (R). Ω= S/R 2 19
Εύρεση της περιοχής λειτουργίας και της τάσης εργασίας µετρητή G-M Όργανα και υλικά Μετρητής G- Μ Ασθενής ραδιενεργός πηγή Χρονόµετρο Μεταλλική λαβίδα Μέτρα προστασίας Στην άσκηση αυτή χρησιµοποιούνται µόνο κλειστές πηγές ραδιενέργειας µικρής έντασης ακτινοβολίας και δεν απαιτούνται ιδιαίτερα µέτρα προστασίας. Οπωσδήποτε όµως οι ραδιενεργές πηγές φυλάσσονται σε µικρό κουτί από Pb και χειρίζονται µε τη µεταλλική λαβίδα. Ποτέ µε το χέρι! Πειραµατική διαδικάσία Ανοίγουµε τον κεντρικό διακόπτη του µετρητή G-M και αφήνεται να προθερµανθεί για 5 λεπτά. Η ραδιενεργός πηγή τοποθετείται µε τη χρήση της λαβίδας στην κατάλληλη υποδοχή κάτω από το παράθυρο του ανιχνευτή. Αυξάνεται µε αργό ρυθµό η τάση του ανιχνευτή, κατά 20 Volts κάθε φορά, µέχρι να αρχίσει η καταγραφή των παλµών. Στον συνοδευτικό πίνακα αποτελεσµάτων (βλέπε παρακάτω) καταγράφεται ως πρώτη τιµή µέτρησης η τελευταία τιµή της τάσης που δίνει µηδέν παλµούς. Γίνεται η µέτρηση του ρυθµού καταγραφής (παλµών / χρόνο). Η διάρκεια της µέτρησης επιλέγεται ώστε να υπάρχει ένας ικανοποιητικός ρυθµός καταγραφής (συνήθως 3-5 min ανάλογα µε την ισχύ της πηγής). Υπολογίζονται οι τιµές του ρυθµού απαρίθµησης Ι (cpm = παλµοί ανά λεπτό) Κατασκευάζεται το διάγραµµα ρυθµού απαρίθµησης ως συνάρτηση της τάσης, Ι-V. Βρίσκεται από το διάγραµµα η περιοχή λειτουργίας και η τάση εργασίας του ανιχνευτή. Μετά το τέλος του πειράµατος τοποθετούµε την πηγή στο δοχείο µολύβδου. Χαµηλώνουµε σιγά-σιγά την τάση στον µετρητή µέχρι µηδενισµού και κατόπιν κλείνουµε το διακόπτη παροχής από το δίκτυο. Ποτέ δεν κλείνουµε το διακόπτη µε ανεβασµένη υψηλή τάση. 20
ΕΥΡΕΣΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ G-M ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ :. ΟΜΑ Α ΕΡΓΑΣΙΑΣ: 1. 2. 3. 4. ΜΕΤΡΗΤΗΣ G-M Ν Ο :. ΡΑ ΙΕΝΕΡΓΟΣ ΠΗΓΗ Ν ο :.. ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Μέτρηση Τάση (Volts) Ένδειξη (παλµοί) Χρόνος µέτρησης Ρυθµός απαρίθµησης, Ι (παλµοί/ min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ:.. ως.. Volts ΤΑΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ:.. Volts ΑΥΤΗ Η ΤΑΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΘΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΕΙ ΓΙΑ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΥΠΟΛΟΙΠΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΑΥΤΟΝ ΤΟΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ! 21
Περαιτέρω προτεινόµενα πειράµατα 1. Επανάληψη των µετρήσεων χρησιµοποιώντας άλλη πηγή και σύγκριση των αποτελεσµάτων. 2. Επανάληψη των µετρήσεων χρησιµοποιώντας την ίδια πάντα πηγή αλλά διαφορετική απόσταση πηγής - ανιχνευτή. Βρίσκεται η σχέση που συνδέει το ρυθµό απαρίθµησης του ανιχνευτή G-M µε την απόσταση από την πηγή. 3. Γίνεται σύγκριση των αποτελεσµάτων χρησιµοποιώντας δεδοµένα από διαφορετικούς τύπους ανιχνευτών G-M. 22