Souprava CASSY
Souprava CASSY umožňuje provádět základní pokusy, které ozřejmují některé vlastnosti radioaktivního záření. Používané radioaktivní zářiče 232Th a 226Ra resp. jimi vyzařované záření je používáno ke studiu propustnosti materiálů vůči různým typům záření, objasnění principu detekce ionizujícího záření ( v našem případě je Geiger-Mullerova trubice používána jako detektor). Oba uvedené zářiče jsou gama zářiče a alfa zářiče, protože pokusy jsou prováděny na vzduchu nikoli ve vakuu, lze použít pouze pronikavé gama záření. Úloha zahrnuje nezbytný software na spouštění měření a zpracování dat a dále hardware pro obsluhu detektoru a další přídavné pomůcky pro realizaci experimentů ( olověné clony, stojan umožňující různé úhlové nastavení radioaktivního zdroje, radioaktivní zdroje, olověné stínění GM trubice atd.) Úkoly pro CASSY 1 Úkoly 1. Seznamte se s programem CASSY 2. Změřte radiaci pozadí. Proveďte několik měření v intervalech 10 sec a statisticky zpracujte. 3. Změřte radiaci thoriové punčošky ve vzdálenosti l = 2cm, 4 cm, 8 cm, 16 cm pro T = 10s. 4. Graficky vyjádřete závislost střední hodnoty četnosti detekovaných částic na vzdálenosti detektoru od zdroje záření. 5. Prozkoumejte vliv velikosti vstupního otvoru GM trubice na počet detekovaných částic.
Popis softwaru Po zapnutí počítače máte možnost volby mezi následujícími položkami: Help………………. Obecné měření …… Radioaktivita……… Konec……………...
Návod k použití Použití CASSY jako multimetru, osciloskopu, čítače Impulsů, stopek, XY-zapisovače Měření počtu radioaktivních impulsů pomocí GM-trubice, Statistické vyhodnocení Konec práce
Po volbě žádané položky vyčkejte objevení úvodního menu. Program spustíte stiskem libovolné klávesy. Obrazovka je rozdělena na několik částí: informační okno zpravuje uživatele o předvolených parametrech experimentu: uživatelské menu dovoluje předvolbu změnit. Nejdůležitější veličiny: T ( Gate Time ) Doba, po kterou se spojitě načítají impulsy ( vstupní čas, doba jednoho dílčího měření ) x ……………… Počet impulsů za vstupní čas T n………………. Počet měření ( jedno měření trvá po dobu vstupního času T ) N……………… Celkový počet pulsů
H(x)…………… Četnost naměření x pulsů za vstupní čas T R(n)…………… Frekvence pulsů v n-tém měření. Platí: Σ H (x) = n Σ [x. H (x) ] = N Definice statistických veličin, které software spočítá z Poissonovského rozdělení naměřených četností částic: Průměr ………………………..
x = N/a
Standardní odchylka …………
_2 σ = Σ [ ( x – x ) . H (x) ]
chyba stř. hodnoty ……………
dx = σ /n
teoretická odchylka …………...
s = ( x )1/2
teoretická četnost ……………..
H ´ = a . ( x / x! ) . exp ( -x )
2
n–1 1/2
Postup při měření: 1. 2. 3.
4.
5. 6.
7.
8.
Zvolte vstupní čas T ( Gate Time ) najetím kurzoru v menu na položku “Select Gate Time“, stiskem Enter a zadáním požadovaného času v sekundách. Obdobným způsobem zadejte počet dílčích měření n ( “Select Max. n and x“ ). Hodnotu x zadávat nemusíte, program sám vybere vhodnou hodnotu. Zkontrolujte zadání ostatních údajů v informačním okně ( Typ grafu H(x) ( “H against x“ ) apod.); případné odchylky odstraňte vhodnou volbou v menu ( výběr typu grafu: “Select Diagram“ ). Připravte nové měření volbou “Start New Measurement“ v hlavním menu. Počítač vykreslí osy pro požadovaný graf. Stručná nápověda je ve spodní části obrazovky, podrobnější po stisknutí F10. Měření spusťte stiskem klávesy F1. Měření se automaticky zastaví po dosažení požadované hodnoty veličiny n. Přerušení měření je umožněno stiskem klávesy F1. Je možné vrátit se do hlavního menu pomocí Esc, případně upravit typ grafu ( viz výše ) a posléze v započatém měření pokračovat ( volba “Continue Measurement“ v hlavním menu ). Po skončení měření se vraťte pomocí klávesy Esc do hlavního menu, zvolte vhodný typ grafu potvrzením položky “Select Diagram“. Nové submenu nabízí jednak porovnání s teorií ( “Comparison with Theory“ ), jednak jiný typ grafu ( v případě nastavení vykreslení závislosti H (x) na x nabízí dále vykreslení závislosti R (n) na n a naopak). Další položka ( “Enter Graph Title“ ) slouží k zadání nadpisu grafu. Vyzkoušejte různé typy grafů. Vykreslení zvoleného grafu je provedeno po volbě “Evaluate in Graph“ v hlavním menu. V grafech je možné zobrazovat důležité hodnoty ( viz bod 8 tohoto návodu nebo klávesa F10 ). V grafu H (x) mají jednotlivé funkční klávesy tento význam: F1 … Vykreslení Poissonova rozdělení F2 … Znázornění střední hodnoty F3 … Vykreslení obalové křivky F4 … Označení střední hodnoty Alt - F4 … výsledek F5 … Označení standardní hodnoty Alt – F5 … výsledek
9.
10.
11. 12. 13.
F6 … Vykreslení sítě souřadnic F7 … Uložení volby F1 až F6 do paměti F8 … Zrušení volby F1 až F6, zobrazení podle volby F7 F9 … Grafický kurzor F10 … Help Pro grafický výstup na tiskárně zvolte graf H(x) se srovnáním s teorií a s nadpisem, obsahujícím vaše jméno, datum a typ experimentu ( položka ‘Select Diagram‘ hlavního menu – viz bod 7 ). Před tiskem vykreslete parametry pomocí kláves F1 až F6. Tisk spustíte stisknutím kláves Shift - PrintScreen. Výstup naměřených hodnot: Potvrzení položky ‘Output Measured Values‘ hlavního menu. Po objevení submenu zvolte požadovaný typ výstupu; buď v tabulkové formě ( do tabulky se zapisují ty hodnoty, které vykresluje graf, tj. x a H (x), případně n a R (n) pro daný typ grafu – přechod mezi jednotlivými typy viz bod 7 ), nebo přímo formou výpisu charakteristických statistických dat. Oba tyto typy je možné upravit do velkoplošné formy ( Large Display ). Pro výstup dat na tiskárně použijeme položku ‘Print Table‘ ( výstup x, H(x), příp. n, R(n) podle zvoleného grafu ), nebo přímý tisk aktivní obrazovky stisknutím kláves Shift – PrintScreen. Případné uložení měření na disk ( dbejte pokynů vedoucího cvičení ) je umožněno po volbě položky ‘Disk Operations‘ hlavního menu a položky ‘Save Measured Data‘ v submenu. Po ukončení měření program opusťte volbou položky ‘End Program‘.
1. Přirozená radioaktivita v prostředí ( radiace pozadí ) Princip: Počítač zaznamenává pulsy i bez přítomnosti zářiče. Tyto pulsy jsou způsobeny tzv. radiací pozadí. Ta je důsledkem přítomnosti radioaktivních látek v okolním prostředí a rovněž kosmickým zářením. Pomůcky: základní deska, zástrčkový nástavec, držák trubice, Geigerova – Müllerova trubice a převodník CASSY, počítač, tiskárna, olověný kryt . Úkoly měření 1. Zjistěte vlastní pozadí GM–trubice 2. Zjistěte přirozenou radioaktivitu prostředí 3. Proveďte srovnání obou výsledků Zodpovězte: a) Jaká je rychlost čítání získaná při měření vlastního pozadí GM trubice a při přirozené radioaktivitě pozadí ? b) Je tato rychlost čítání konstantní? c) Vysvětlete činnost GM–trubice.
Provedení úlohy • GM–trubici vložte do olověného pouzdra. • Zapněte počítač. • Podle “návodu pro použití sofware CASSY” zadejte požadovaná data. Volte T = 10 s, n = 50. • Měření proveďte pro GM–trubici v olovněném krytu. • Měření proveďte pro GM–trubici bez olověného krytu.
2.
Radiace thoriové punčošky v závislosti na vzdálenosti
Princip: Thorium v přírodě obsahuje tři izotopy, z nichž dva 228Th a 230Th se vyskytují v minimálním zastoupení, 99,99% přírodního thoria je tvořeno izotopem 232Th. Tento izotop je alfa zářič – hlavní energie alfa částic 4.010 MeV (77%) a 3.952 (23%). Je to rovněž slabý zdroj gama záření s energií 59 keV, pro gama rozpad je pravděpodobnost rozpadu menší než 1%. Počítač zaznamenává pulsy, které odpovídají počtu gama kvant vyzářených ze zdroje 232Th. Částice se ve vzduchu brzdí a dochází k jejich pohlcování. Jaký bude jejich dolet, závisí na jejich maximální energii a případně na stínění, které vkládáme mezi detektor a zářič. Pomůcky: základní deska, zástrčkový nástavec, držák trubice, Geigerova – Müllerova trubice a převodník CASSY, počítač, tiskárna, thoriová punčoška. Úkoly měření 1. Proveďte měření střední četnosti detekovaných gama kvant v závislosti na vzdálenosti. 2. Graficky znázorněte závislost počtu detekovaných částic na vzdálenosti a zakreslete směrodatné odchylky jednotlivých měření. 3. Proložte naměřenými daty křivku a srovnejte, zda odpovídá předpokládané závislosti. 4. Vysvětlete, proč pro odhad střední hodnoty počtu částic používáme Poissonovské rozdělení. 5. Vytiskněte 2 vybrané grafy Poissonova rozdělení naměřené četnosti částic. 6. Proč detekujeme gama kvanta vycházející ze zdroje, když jejich energie i intenzita v porovnání s alfa částicemi je tak nízká?? Provedení úlohy. • Připevněte zdroj záření –thoriovou punčošku (nevytahujte ji z obalu!). Pokud zářič nepoužíváte, uložte jej zpět do boxu. • Zapněte počítač. • Podle “návodu pro použití software CASSY” zadejte požadovaná data. Volte T = 10 s, n = 30. • Provedení úkolu je zobrazeno na obrázku 1.
Obrázek 1. Experimentální uspořádání úkolu 2.
3. Vliv velikosti vstupního otvoru GM trubice na počet detekovaných částic. Princip: Četnost detekovaných částic závisí na velikosti prostorového úhlu, ve kterém je detektor schopen detekovat částice. Prostorový úhel zmenšujeme s rostoucí vzdáleností detektoru a zdroje nebo zmenšením vstupní citlivé štěrbiny detektoru. Počítač zaznamenává pulsy, které odpovídají počtu gama kvant vyzářených ze zdroje 232Th. Použijeme nejkratší možnou vzdálenost, aby počet zaznamenaných částic nebyl příliš nízký (viz. obrázek 1) a mezi detektor a thoriovou punčošku vkládáme olověné destičky s otvory různé velikosti a bez otvoru. Pomůcky: základní deska, zástrčkový nástavec, držák trubice, Geigerova – Müllerova trubice a převodník CASSY, počítač, tiskárna, thoriová punčoška, olověné destičky s otvory 1mm, 3 mm, 5mm a 8mm.
Úkoly měření 1. Proveďte měření střední četnosti detekovaných gama kvant v závislosti na velikosti použité štěrbiny, měřte s různými velikostmi štěrbin a s olověnou destičkou bez otvoru. 2. Graficky znázorněte závislost počtu detekovaných gama kvant na velikosti prostorového úhlu (velikosti štěrbiny) detektoru – GM trubice a zakreslete směrodatné odchylky jednotlivých měření. Provedení úlohy • Připevněte zdroj záření –thoriovou punčošku tak, aby hliníková clona, na které je připevněna byla otočena směrem k detektoru (nevytahujte punčošku z obalu!). Pokud zářič nepoužíváte, uložte jej zpět do boxu. • Vzdálenost volte minimálně 2 cm. • Zapněte počítač. • Podle “návodu pro použití software CASSY” zadejte požadovaná data. Volte T = 10 s, n = 30. • Provedení úkolu je zobrazeno na obrázku 1. • Proveďte měření pro 4 rozměry vstupního otvoru a rovněž pro plnou destičku.
