Obszar licznika Geigera
advertisement
Rysunek 1 x60 Licznik Geigera - Mullera. (Rysunek 1) Licznik ten stosuje się do detekcji zarówno cząstek jonizujących jak i promieniowania gamma lub rentgenowskiego. Zasadniczymi częściami tego licznika są: cylindryczna katoda i przeciągnięta wzdłuż jej osi metalowa nić, stanowiąca anodę. Elektrody te są umieszczone w hermetycznie zamkniętym naczyniu, wypełnionym gazem ( np. argonem, powietrzem, wodorem) pod ciśnieniem ok. 100 - 200 mm słupa rtęci. W niektórych przypadkach katodą może być cylindryczna metalowa ścianka naczynia. Taki kształt elektrod pozwala uzyskać duże natężenie pola elektrycznego w pobliżu anody. Promieniowanie jądrowe powoduje jonizację gazu między elektrodami licznika. Elektrony powstające w wyniku jonizacji są przyspieszane w silnym polu elektrycznym i uzyskuj dostateczną energię, aby wywołać dalsze akty jonizacji i wzbudzenia cząstek gazu. W wyniku lawinowo rozwijającego się procesu jonizacji do anody podąża coraz więcej elektronów. W procesie rozwoju wyładowania istotną rolę odgrywają fotony promieniowania ultrafioletowego wzbudzonych cząsteczek gazu. Wskutek zjawiska fotoelektrycznego, szczególnie zachodzącego na katodzie, pojawiają się następne elektrony, zapoczątkowujące kolejne lawiny elektronowe podążające ku anodzie. W opisanym procesie narasta również liczba jonów dodatnich, które jako znacznie cięższe od elektronów, poruszają się o wiele wolniej i tworzą w gazie ładunek przestrzenny. Obecność ładunku przestrzennego zmniejsza natężenie pola elektrycznego w obszarze między anodą i chmurą jonów przesuwających się w kierunku katody. W wyniku tego wyładowanie zanika. Jednakże jony dodatnie po osiągnięciu katody wybijają z niej elektrony i jeżeli tylko dodatni ładunek z katody zostanie dostatecznie szybko odprowadzony, lawiny elektronowe zaczną rozwijać się od nowa. W ten sposób wyładowanie w liczniku jest stale podtrzymywane i licznik nie może rejestrować następnych cząstek promieniowania jądrowego. Istnieje jednak parę sposobów powstrzymania wyładowania ciągłego w liczniku. Jednym z nich jest włączenie w obwód licznika dostatecznie dużego oporu R, rzędu 109 omów. Tak duży opór nie pozwala na szybkie odprowadzenie ładunku ujemnego z anody, co obniża jej potencjał aż do chwili, gdy jony dodatnie zostaną zebrane na katodzie. To obniżenie potencjału a zarazem zmniejszenie napięcia między katodą a anodą wystarcza, aby elektrony wybite przez jony nie wywoływały nowych lawin. Prowadzi to do wygarnięcia wyładowania. Po czasie rzędu setnej części sekundy ładunek z anody zostaje odprowadzony, a licznik jest zdolny do zarejestrowania następnej cząstki. Inny sposób wygaszania wyładowania polega na wypełnieniu licznika wymienionymi powyżej gazami z domieszką gazów lub par o cząsteczkach wieloatomowych ( metan, etan, pary alkoholu). Przy odpowiedniej proporcji domieszki wyładowania po krótkim czasie wygasają same. Gaszenie następuje dzięki silnemu pochłanianiu promieniowania ultrafioletowego przez cząsteczki wieloatomowe oraz dzięki temu, że jony cząsteczek wieloatomowych nie wybijają z katody elektronów. Jeżeli rodzaj domieszki jest tak dobrany, ażeby energia jonizacji jej cząsteczek była mniejsza niż cząsteczek ( atomów) gazu podstawowego, to przy zderzeniach jonów gazu podstawowego z cząsteczkami wieloatomowymi następuje jonizacja cząsteczek wieloatomowych. W rezultacie tego do katody będą docierały tylko jony domieszek niewybijające elektronów. Licznik z domieszką gazu o cząsteczkach wieloatomowych nosi nazwę samogasnącego. Impulsowi prądu wyładowania w liczniku odpowiada impuls napięcia na oporze, który włączony jest w obwód licznika, niezależnie od jego rodzaju. Impuls napięcia przekazywany jest do elektronowego urządzenia zliczającego, zwanego przelicznikiem. W przypadku licznika Geigera - Mullera, na skutek jonizacji wtórnej amplituda impulsów napięcia nie zależy od energii straconej przez cząstkę w liczniku tj. od liczby par jonów wytworzonych przez nią. Dlatego też licznik ten nie może służyć do wyznaczania energii cząstek. Stosuje się go wyłącznie do rejestracji liczby cząstek. Liczniki Geigera - Mullera charakteryzują się czasem martwym pochodzącym stąd, że Rysunek 2 powłoka jonów wytworzona w wyładowaniu lawinowym w obszarze w pobliżu anody obniża tam natężenie pola do wartości mniejszej od krytycznej koniecznej dla jonizacji wtórnej w czasie występowania tego ładunku przestrzennego, który to czas może dochodzić do kilkuset µs. W czasie tym licznik nie może zarejestrować nowej cząstki. Jeżeli dla licznika Geigera - Mullera zbadamy Rysunek 2 natężeniu zależność liczby zliczeń od przyłożonego napięcia przy stałym padającego promieniowania gamma to otrzymamy następującą charakterystykę. (Rysunek 1) W pewnym przedziale napięć liczba zliczeń się nie zmienia. Ten obszar nazywa się plateau geigerowskim. Napięcie pracy licznika Geigera - Mullera wybiera się w połowie plateau. Taki wybór podyktowany jest tym, że w obszarze plateau detektor jest najmniej wrażliwy na wahania napięcia zasilającego. Komora Wilsona Jak wiadomo z badań fizyków i meteorologów, para wodna skrapla się przede wszystkim na jonach. Wykorzystał to w roku 1912 C.T.R. Wilson do opracowania metody pozwalającej obserwować ślady toru cząstek ab-. Rysunek 1 przedstawia schematycznie zbudowane przez niego urządzenie zwane obecnie komorą Wilsona. Zbiornik A napełniony jest gazem (np. powietrzem lub argonem) z domieszką pary wodnej. Przez szybę S możemy obserwować, co dzieje się w komorze lub dokonywać fotografii. Wewnątrz komory umieszczamy preparat promieniotwórczy P, emitujący cząstki jonizujące. Przez szybkie obniżenie tłoka T powodujemy gwałtowne rozrzedzenie znajdującego się w zbiorniku gazu, co prowadzi do obniżenia jego temperatury i częściowo skroplenia się pary wodnej. Para skrapla się przede wszystkim na jonach utworzonych przez poruszającą się cząstkę jonizującą , wyemitowaną przez substancję promieniotwórczą. Powstałe kropelki wody tworzą biały ślad toru poruszającej się cząstki. Rysunek 2 przedstawia fotografię takich śladów cząstek a, a rysunek 3 cząstki b-. Widzimy, że zagęszczenie kropelek wody na torze cząstki a jest znacznie większe niż w przypadku cząstki b-. Świadczy to, że zdolność jonizacyjna cząstek a jest znacznie większa niż cząstek b-. Im dana cząstka naładowana ma większą energię, tym mniej par jonów wytwarza na 1cm toru. Stąd na przykład tory cząstek a lub bsfotografowane w komorze Wilsona są cieńsze na początku a grubsze u końca. Pozwala to wyznaczyć kierunek ruchu cząstki. Komora Wilsona często umieszcza się w jednorodnym polu magnetycznym (wytworzonym np. przez solenoid). Pole jest skierowane prostopadle do szyby S (rys.1). Cząstki naładowane poruszają się w płaszczyźnie prostopadłej do linii sił pola ulegają odchyleniu. Obserwując kierunek odchylenia można określić znak ładunku elektrycznego cząstki. Rysunek 4 przedstawia poglądowo zachowanie się promieniowania a,b- i g w polu magnetycznym. Mierząc dokładnie promienie krzywizny toru cząstki w polu magnetycznym o znanym natężeniu, długość toru, tj. zasięg oraz zagęszczenie powstałych kropel można za stosunkowo dużą dokładnością wyznaczyć masę cząstki, jej ładunek i energię. Pozwala to między innymi określić, jaka to jest cząstka, czyli ,,zidentyfikować” ją. Komora Wilsona pozwala również na obserwowanie skutków oddziaływania promieniowania gamma z materią. Przyjrzyjmy się rysunkowi 5 przedstawia on fotografię śladu promieniowania gamma o niewielkiej energii fotonu (tzw. promieniowania miękkiego). Widoczne są liczne ślady elektronów, które pojawiają się wskutek znanego nam już zjawiska fotoelektrycznego (foton gamma wyrzuca elektron z atomu lub molekuły gazu wypełniającego komorę, a elektron ten jonizuje atomy lub molekuły gazu, na których z kolei skrapla się para wodna). Cząstki o dużej energii mają w gazie zasięg większy od wymiarów nawet dużych komór Wilsona, a ponadto jonizując słabiej pozostawiają ledwie widoczny ślad. Utrudnia to ich badanie. Toteż dla tych cząstek poczęto w latach czterdziestych stosować tzw. Emulsje jądrowe, a w latach pięćdziesiątych stosować tzw. komory pęcherzykowe. Licznik Geigera - Mullera Komora Wilsona Bernadetta Andrzejewska kl. IV LZa
