Rutherfordův experiment – návod k obsluze aparatury Složení aparatury: 1. Vakuová komůrka (skleněný válec) 2. detektor alfa částic (je stabilně umístěn v komůrce) 3. rotační vývěva s příslušenstvím (hadice, tlačka) 4. vakuová měrka 5. předzesilovač k detektoru alfa částic 6. analyzátor výšky impulsů čítač impulsů 7. zářič a destička s fólií 8. drobné příslušenství (kabely s BNC koncovkami, napájecí kabely atp.)
Všeobecná pravidla pro práci s aparaturou Veškerý materiál je velmi křehký a vyžaduje opatrné zacházení. Zvláště vakuová měrka a vakuová komůrka jsou citlivé na nárazy! Fólie je tenká a při neopatrném zacházení může dojít k jejímu protržení a znehodnocení. Radioaktivní zářiče ponechávejte v pouzdrech, nejsou-li právě používány.
1. Vakuová komůrka Vakuová komůrka je cca 30 cm dlouhý skleněný válec uzavřený dvěma měděnými čely utěsněnými pomocí gumových o-kroužků. Každé čelo je upevněno pomocí tří připevňovacích šroubů. Levé čelo (při pohledu zpředu) obsahuje: • koncovku pro nasunutí hadice od vývěvy • koncovku pro zasunutí BNC kabelu k předzesilovači alfa detektoru • zavzdušňovací šroub
Pravým čelem probíhá manipulační tyč držená aretačním šroubem.
1.1 Montáž vakuové komůrky 1. Přesvědčíme se, že je alfa detektor správně nasazen na vnitřní straně levého čela 2. Jemně našroubujeme zářič na konec manipulační tyče, nedotahujeme silou! Poté sejmeme kryt ze zářiče 3. Přesvědčíme se, že jsou o-kroužky správně nasazeny ve svých drážkách 4. Nasadíme čela a lehce dotáhneme jejich upevňovací šrouby 5. Připojíme k detektoru BNC kabel, přesvědčíme se o dotažení aretačního šroubu manipulační tyče a zda je zavzdušňovací šroub dotažen Tím je vakuová komůrka připravena k vyčerpání vzduchu 1.2 Při vyčerpávání vakuové komůrky je potřeba neustále dotahovat všech šest upevňovacích šroubů. (Čela jsou vzrůstajícím přetlakem více přitlačována na dosedací plochy)
1.3 Při měření S manipulační tyčí manipulujte zásadně pomocí rukojeti, omezte kontakt s tyčí ošetřenou tenkou těsnící vrstvou. Terčík s fólií je možno posunovat mírným nakloněním vakuové komůrky a opatrným poklepáváním. Demontáž celé komůrky tedy není při změně vzdálenosti nezbytná. Neměníte-li vzdálenost zářiče od detektoru, nechejte manipulační tyč zaaretovanou. Při snaze o posunutí klade manipulační tyč nejprve velký odpor a pak se náhle „utrhne“. Doporučuji tedy „posouvat opatrně“. 1.4 Zavzdušnění a demontáž vakuové komůrky 1. Nejprve povolíme všech šest upevňovacích šroubů 2. Nyní můžeme otevřít zavzdušňovací šroub 3. Po zavzdušnění zcela uvolníme pravé čelo, zakrytujeme a vyjmeme zářič 4. celou sestavu opět sešroubujeme dohromady – tím zamezíme přístupu prachu. Všechny šrouby dotáhneme pouze velmi zlehka (jinak se zbytečně omačkává těsnění) Při zavzdušňování se celý válec prodlužuje. Nepovolíte-li šrouby před zavzdušněním, může se stát, že je nepovolíte vůbec (nebo poničíte čela)!
2. Detektor alfa částic Detektor alfa částic vypadá jako malý (cca 3 cm dlouhý) zlatý váleček s BNC konektorem na jedné a kónickou prohlubní na druhé straně. Ve většině případů jej není třeba hledat, neboť je obvykle nasazen v komůrce. Srdcem detektoru je křemíková destička stíněná z jedné strany vrstvou zlata a pokovená tenkou hliníkovou vrstvou na straně druhé. Na rozhraní hliník-křemík je tak vytvořen PN přechod. Průchod alfa částice touto bariérou způsobí krátkodobou (~µs) změnu vodivosti vrstvy, kterou detekujeme buď pomocí zvláštního přístroje, nebo pozorujeme na stínítku osciloskopu Detektor vyžaduje napájení stabilizovaným napětím –12V, které poskytuje např. předzesilovač detektoru.
3. Rotační olejová vývěva s měrkou vakua Vakuová měrka je pomocí T-konektoru nasazena na hadici vedoucí od vývěvy k vakuové komůrce. Data jsou přenášena kabelem k analogovému měřícímu přístroji. Hadice by měla být mezi vývěvou a měrkou uzavřena tlačkou. 3.1 Práce s vývěvou Nejprve zapneme vývěvu, teprve potom uvolníme tlačku! Při ukončení vyčerpávání nejprve uzavřeme hadici tlačkou a teprve poté vypneme vývěvu! V opačném případě dochází k pronikání olejových par do měrky a vakuové komůrky a jejich znečištění.
5. Předzesilovač alfa detektoru Je vybaven množstvím zdířek a přepínačů. Omezíme se na popis těch, které jsou využívány: Zadní strana: Ub – napájecí napětí se do této zdířky přivádí šedým kabelem z analyzátoru výšky pulsů Ausgang/output – výstupní signál se odvádí BNC kabelem do vstupu analyzátoru nebo osciloskopu Přední strana: Detektor – Vstup signálu z detektoru alfa částic
Přepínače (v hranatých závorkách je uvedeno správné nastavení): α/β β - Volba detektoru [α] Bias ext./int. – Typ napájení (externí/interní) [int.] Bias Int +/- - polarita napájení [-] /inv. – Inverze výstupního signálu [Inv.]
6. Analyzátor výšky pulsů Analyzátor výšky pulsů je poměrně složitý přístroj, jehož použití bude popsáno v samostatném článku.
7. Čítač impulsů Načítá impulsy a zobrazuje jejich počet na LED displeji. Napájen je ze sítě 230V/50Hz, síťový vypínač je na zadní straně přístroje. Čítač disponuje intuitivním ovládáním pomocí několika zdířek a ovládacích prvků: EINGANG/INPUT – Sem se přivádí signál z analyzátoru výšky pulsů. Ke správnému připojení BNC kabelu potřebujete přechodku BNC-dvoubanánek. Pozor na polaritu při zapojování! MESSZEIT/GATE – slouží k nastavení doby měření. Volba „nekonečno“ slouží pro měření dlouhých časů pomocí ručních stopek. START/STOP – spouští a zastavuje měření. Napočítaná hodnota zůstává na displeji a připočítává se k následujícímu měření, pokud ji tlačítkem RESET nevymažete. RESET – nuluje napočítané hodnoty Tlačítko se symbolem reproduktoru zapíná/vypíná zvukovou signalizaci pulsů !!! POZOR!!! Přístroj nedisponuje žádnou indikací stavu měří/neměří, takže bacha na tom zda jste stiskli tlačítko START/STOP jednou nebo dvakrát. Snadno se může stát, že budete čtvrt hodiny čekat před vypnutým přístrojem.
Analyzátor výšky pulsů Analyzátor výšky pulsů (dále jen AVP) umožňuje : a) zesilovat vstupní signál b) registrovat impulsy od délky cca 0,2 µs c) poskytnout signál k dalšímu zpracování/zobrazení na osciloskopu d) filtrovat vstupní signál dle zadaných kritérií e) provádět analýzu četnosti pulsů a její výsledky zobrazit na připojeném souřadnicovém zapisovači.
1. Popis přístroje
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19)
Volič zesílení (hrubě) Volič zesílení (jemně) Přepínač ZOOM režimu – jeho použitím dojde k maximálnímu zesílení impulsů v rozsahu 5-7 V Přepínač šířky okna Potenciometr pro nastavení horní hranice okna Přepínač automatiky posunu okna (AUTOmatické/MANuální) Volič délky taktu - doby, po kterou jsou načítány impulsy při automatickém posunu okna Tlačítko pro start/stop měření Tlačítko pro reset (nulování) naměřených hodnot Tlačítko pro rychloposuv okna Přepínač interního/externího časovače Konektor pro připojení externího časovače (vstup) Konektor pro napájení předzesilovače α-detektoru (výstup) Zdířka zdroje napětí -100 V (výstup) Konektor pro připojení čítače impulsů (výstup) Konektory pro připojení na Y-osu souřadnicového zapisovače (výstup) Konektory pro připojení na X-osu souřadnicového zapisovače (výstup) Konektor pro analogové zpracování dat/zobrazení na osciloskopu (výstup) Vstupní konektor
2. Princip práce analyzátoru Funkčně můžeme AVP rozdělit na čtyři základní celky: zesilovač, diskriminátor, čítač a obvody pro automatickou změnu rozsahu. Velice užitečným doplňkem nutným pro smysluplnou práci s AVP je osciloskop! Hlavním pracovním prostředkem je tzv. „okno“ – hodnotový rozsah, ve kterém diskriminátor vyhodnocuje a čítač zaznamenává pulsy. Čítač zaznamená pouze ty pulsy, jejichž vrchol se nachází v rozsahu daném výškou „okna“. Schéma funkce ilustruje obrázek:
3. Práce s oknem Výška okna se nastavuje různými způsoby v závislosti na režimu práce AVP. K řízení jeho polohy a výšky slouží tlačítko FENSTER, potenciometr BASE a přepínač AUTO/MAN. Tlačítko FENSTER přepíná výšku okna. Na výběr jsou buď fixní hodnoty (100, 200 a 500 mV) nebo procentní (1, 2, a 5 %). Při volbě procentních hodnot je výška okna odvozena od jeho polohy. Jeli např. okno o výšce 5 % nastaveno na 6V, činí jeho výška 300 mV. Volba INTEGRAL „roztáhne“ okno do celého rozsahu přístroje – horní mez je stanovena na >10 V, spodní se nastavuje pomocí potenciometru BASE. Potenciometr BASE je nastavitelný v rozsahu 0 – 10 V, po 10mV dílcích. • V manuálním režimu práce ovládá polohu středu okna. Při nastavení šířky okna na INTEGRAL, ovládá polohu spodní hrany. • V automatickém režimu určuje maximální výšku impulsů, které ještě budou sledovány. Přepínač AUTO/MAN přepíná mezi automatickým a manuálním procházením rozsahu. • Manuální režim nechává kontrolu měření plně na operátorovi • Při automatickém režimu je zvolený rozsah (0-max, V, max je nastaveno potenciometrem BASE) rozdělen na 256 ekvidistantních hodnot. Každá z těchto hodnot je po dobu T (nastavenou pomocí tlačítka TAKT) středem okna. Po uplynutí doby T se automaticky vybere další hodnota okna a měření začne nanovo. Pro hlubší pochopení doporučuji pročíst manuál k přístroji.
4. Příklady praktického použití manuálního měření a) Získání počtu impulsů v rozsahu 4,75-6,25 V Signál přiveďte na vstup (19), nastavte vhodné zesílení pomocí tlačítka (1) a reostatu (2) tak, aby se zkoumaný signál pohyboval v rozmezí 0-10 V. Zesílený signál doporučuji pozorovat na připojeném osciloskopu (18). Nevyužíváte automatický posun -- tlačítko (6) přepněte na MANuální měření. Požadované hodnoty leží v 500mV rozsahu okna - výšku okna (4) – nastavte na 500 mV. Střed okna nastavte potenciometrem BASE (5) na hodnotu 6,00 V. Na výstupu (15) připojený čítač pak čítá impulsy, jejichž vrcholky se pohybují v rozsahu 4,75-6,25 V. b) Získání počtu impulsů v rozsahu 6-10 V Přípravu proveďte analogicky s případem a). Okno potřebujete širší, než 500 mV, zvolte tedy INTEGRAL. Spodní hranici okna nastavte potenciometrem BASE (5) na požadovaných 6V. Na výstupu (15) připojený čítač pak čítá impulsy, jejichž vrcholky se pohybují v rozsahu 6-10 V. c) Získání počtu impulsů v rozsahu 0-10 V Jedná se o stejný postup jako v případě b), pouze je nutno správně nastavit dolní hranici okna d) Získání počtu impulsů v rozsahu 6-8 V Toto nejde provést prostým nastavením hodnot. Určitým „trikem“ však ano. Pomocí zesilovače (1) a (2) nastavíme stupeň zesílení tak, aby zájmovou oblast (impulsy o výšce 6-8 V) převedl na impulsy cca 7,5-10 V. (Použití osciloskopu je v daném případě nutností.) Tímto krokem se úloha převádí na typ b ;)
5. Měření v automatickém režimu Výstupem automatického režimu je spektrum četností pulsů v daném napěťovém rozsahu. Co to znamená?
