γ3 - KORELACJE KIERUNKOWE
BADANIE KORELACJI KIERUNKOWYCH DLA KASKADY PROMIENIOWANIA GAMMA EMITOWANEGO W ROZPADZIE
60
CO ORAZ DLA KWANTÓW PROMIENIOWANIA ANIHILACYJNEGO POZYTONÓW Z ROZPADU
22NA
I. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie anizotropii oraz funkcji korelacji kaskadowego promieniowania gamma izotopu 60Ni (powstającego w rozpadzie β– jąder 60Co). W celu poprawnego ustawienia zależności czasowych w stosowanym do pomiaru koincydencji kwantów gamma z kaskady układzie elektronicznym używa się kwantów gamma, pochodzących z anihilacji pozytonów, powstających w rozpadzie izotopu 22Na. Wyniki pomiarów korelacji należy porównać z teoretycznymi wartościami funkcji korelacji, wyznaczonymi dla przejść kwadrupolowych pomiędzy stanami jądrowymi o spinach 4 › 2 › 0. Pomiary korelacji kątowych promieniowania gamma wysyłanego w kaskadzie są ważnym źródłem informacji o multipolowości tego
promieniowania i o spinach stanów jądrowych występujących w kaskadzie.
II. Aparatura używana podczas ćwiczenia
Fotony promieniowania gamma emitowane ze źródła 60Co lub 22Na rejestrowane są przy pomocy dwóch detektorów scyntylacyjnych z kryształami NaJ(Tl) (oznaczone S na Rys. 1), wyposażonych w fotopowielacze (PM) i odpowiednie dzielniki napięcia/przedwzmacniacze (P). Fotopowielacze zasilane są wysokim napięciem z odpowiedniego zasilacza (HV). Koincydencje pomiędzy tymi detektorami zliczane są przy pomocy aparatury pomiarowej, składającej się ze wzmacniaczy A (Active Filter Amplifier 1101), analizatorów jednokanałowych SCA (Single Channel Analyzer 1201), układu koincydencyjnego UC (Universal Coincidence 1402) oraz przelicznika C (Scaler 1403). Do pomiaru koincydencji przypadkowych wykorzystuje się możliwość regulacji opóźnienia sygnału wyjściowego układu SCA.
1
A SCA
PM P
S S
P
MP
H V UC C
A SCA
Rys. 1: Schemat elektroniki do pomiaru korelacji kierunkowych.
W celu dokonania kalibracji energetycznej toru spektroskopowego (PM-P-A) każdego z liczników oraz precyzyjnego ustawienia zakresu widma (wybieranego na SCA) używanego jako składowy element koincydencji, wykorzystuje się układ zestawiony według schematu z Rys. 2.
Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza A jest rozdzielany (pasywnie, trójnikiem) na dwa tory. W torze logicznym jest on poddany analizie w SCA (wybór okna), kształtowany (regulacja szerokości i ewentualnie opóźnienia) w układzie LSD (Logic Shaper and Delay 1401). Sygnał ten, niosący informację o wystąpieniu impulsu o amplitudzie z żądanego zakresu, podawany jest na wejście bramkujące bramki liniowej LG (Linear Gate 1105). Na jej wejście sygnałowe (podlegające bramkowaniu) podawany jest sygnał z drugiego toru, którego skorelowanie czasowe z impulsem bramki realizowane jest poprzez wzmacniacz opóźniający DA (Delay Amplifier 1103A). Sygnały wyjściowe LG podawane są na przetwornik analogowo cyfrowy ADC (1024 Channel Pulse Analog-to-Digital Converter 712), odczytywany przez program HETMAN, budujący i obrazujący widma zbierane w zewnętrznym buforze BF, umiejscowionym (podobnie jak ADC) w osobnej kasecie CAMAC. Układ zestawiony z LSD, DA, LG i ADC należy używać dla obu liczników (odpowiednie pary A-SCA), zamieniając tylko sygnały wejściowe do LSD i DA. Oczywiście przy całkowitym otwarciu progów SCA rejestrować można pełne widmo impulsów z każdego używanego źródła.
2
H V BF
S
SCA LSD
P
MP GATE
LG ADC
IN
A DA
Rys. 2: Schemat elektroniki do ustawiania okien SCA i kalibracji.
III. Przebieg ćwiczenia
1. Umieścić źródło 60Co na podstawce dokładnie w płaszczyźnie liczników oraz ustalić równe odległości między licznikami a źródłem (około 5-7 cm).
2. Podać wysokie napięcie na detektory scyntylacyjne (około +900 V) tak, aby amplituda impulsów z detektorów scyntylacyjnych nie przekraczała -0.5 V.
3. Dobrać wstępnie tak wzmocnienia we wzmacniaczach, aby wysokości impulsów w obu torach były jednakowe i wynosiły około 9 V.
4. Zestawić układ do pomiaru widm i ustawiania okien analizatorów jednokanałowych (według schematu z Rys. 2). Przeprowadzić dokładne ustawienie wzmocnienia wzmacniaczy w obu torach spektroskopowych, zbierając widma energetyczne przy pomocy analizatora HETMAN (całkowicie otwarte okna SCA). Zbierane widmo dla 60Co powinno pokrywać pełen zakres skali 1024 kanałów. Najwyższy pik tego widma powinien być całkowicie widoczny (bez obcięcia górnej części). Wzmocnienia w obu torach powinny być możliwie jednakowe. Po ustaleniu wzmocnień zapisać położenia pików i parametry ustawienia wzmacniaczy.
5. Dla obu torów spektroskopowych zebrać widma źródeł 60Co, 22Na oraz 137Cs. Należy zebrać statystykę wystarczającą na dobre określenie pozycji pików pełnego pochłaniania w każdym widmie.
6. Dla źródła 22Na wybrać w obu torach linię odpowiadającą pełnemu pochłanianiu kwantów anihilacyjnych (linia 0.511 MeV). W tym celu w zebranym i wyświetlonym przez analizator HETMAN widmie zaznaczyć (markery) interesujące granice widma i tak długo zmieniać poziomy dyskryminacji na SCA, aż w widmie pozostanie tylko wybrany fragment. Zapisać ustawienia SCA i zebrać widmo wybranego zakresu. W analizie wyrazić zadane granice w jednostkach energii, przeprowadzając kalibrację energetyczną osi kanałów ADC za pomocą danych z punktu 5.
7. Zestawić układ do pomiaru korelacji (zliczania koincydencji) według schematu z Rys. 1.
3
8. Wycentrować źródło względem licznika ruchomego (liczba zliczeń w liczniku ruchomym przy jego położeniu względem nieruchomego pod kątami 90o, 180o i 270o powinna być – w granicach błędu statystycznego – taka sama).
9. Kilkukrotnie zmierzyć i zapisać liczbę zliczeń w każdym z liczników w czasie zapewniającym mały błąd statystyczny.
10. Wykonać kilkukrotne pomiary koincydencji dla detektora ruchomego ustawianego pod kątami 90o i 180o. Opóźniając sygnał w jednym z torów o czas istotnie większy niż wybrany czas rozdzielczy układu koincydencyjnego, wykonać pomiary koincydencji przypadkowych. Czas trwania pojedynczego pomiaru koincydencji dobrać tak, aby błąd statystyczny liczby koincydencji nie przekraczał kilku procent.
W opracowaniu
należy porównać zmierzoną liczbę koincydencji przypadkowych z obliczoną na podstawie znajomości liczb zliczeń w każdym detektorze z osobna oraz wartości czasu rozdzielczego UC. Uwzględniając koincydencje przypadkowe, należy wyliczyć i przedyskutować wartość anizotropii dla badanego promieniowania anihilacyjnego.11. Wymienić źródło 22Na na 60Co i powtórzyć procedurę z punktu 6 w celu wybrania odpowiedniego zakresu widma w obu torach (piki odpowiadające maksimom pełnego pochłaniania dla linii 1.17 MeV i 1.33 MeV promieniowania kaskadowego 60Ni). Zapisać położenia okien SCA, odpowiednie widma i w opracowaniu wyrazić wybrany zakres w jednostkach energii.
Pytanie:
czy lepiej jest wybrać w obu torach zakres odpowiadający obu pikom, czy też w każdym z torów wybrać zakresy tylko jednego z maksimów ?12. Powrócić do układu pomiaru koincydencji i powtórzyć procedurę z punktów 9 i 10 dla źródła
60Co. Otrzymaną wartość anizotropii porównać z przewidywaniami teoretycznymi, wynikającymi ze struktury spinowej stanów jadra 60Ni i z rodzaju promieniowania kaskady.
13. Zmierzyć funkcję korelacji, rejestrując liczbę koincydencji dla kilku kątów ustawienia detektora ruchomego z zakresu 90o÷180o. Czas pomiaru dobrać tak, aby błąd statystyczny pomiaru koincydencji pod danym kątem nie przekraczał kilku procent (uwzględniając wpływ koincydencji przypadkowych !). Otrzymane wyniki porównać ze spodziewanym na gruncie teoretycznym rozkładem funkcji korelacji.
UWAGA: W zależności od zainteresowań i ograniczeń czasowych, asystent może modyfikować program ćwiczenia. Możliwe jest ograniczenie programu do zakresu, obejmującego tylko punkty do pomiaru anizotropii promieniowania kaskadowego (bez długotrwałych pomiarów koincydencji z punktu 13). Możliwe jest także zastąpienie pomiarów z punktów 11÷13 pomiarami rozkładu kątowego promieniowania anihilacyjnego pozytonów. W tym celu po zakończeniu punktu 10, bez zmiany źródła, należy wykonać pomiary koincydencji dla kilku do kilkunastu ustawień kąta detektora ruchomego, w szczególności zmniejszając krok zmian kąta w pobliżu 180o. Po uwzględnieniu koincydencji przypadkowych, kształt rozkładu kątowego ilości koincydencji należy zinterpretować w oparciu o znaną naturę promieniowania anihilacyjnego oraz znajomość skończonych kątów bryłowych obu detektorów (do zmierzenia w trakcie wykonywania ćwiczenia).
IV. Literatura
1. A. Strzałkowski, „Wstęp do fizyki jądra atomowego”, PWN 1978.
4
5
2. J.B. England, „Metody doświadczalne fizyki jądrowej”, PWN 1980.
3. W.R. Leo, „Techniques for nuclear and particle physics experiments”, Sprinter, Berlin- Heidelberg 1987.
4. Z. Wróbel, A. Budziak, H. Hrynkiewicz, L. Jarczyk, ,,Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki jądrowej w pracowni studenckiej Instytutu Fizyki UJ”, Skrypty Uczelniane UJ Nr. 315, Kraków 1979 (częściowo dołączone do instrukcji).
