EL DETECTOR GEIGER-MÜLLER Operación y Aplicaciones

1. INTRODUCCIÓN El trabajo es doble:

A. En el primer estudio de las características del detector: su principio de detección y el modo de operación, el tipo de partículas detectadas, que apoya el número de cuentas, eficiencia en la detección de diferentes tipos de partículas. B. En la segunda, se estudian diversas aplicaciones: las mediciones de radiactividad en el medio ambiente, la naturaleza topológica y estadística.

Las diferentes piezas de trabajo son:

• Estudio de la curva de respuesta del detector en función del voltaje aplicado y la elección de la zona de operaciones, utilizando una fuente de 204Tl 0,5 Ci • Estudio de la corrección a la tasa de conteo debido al tiempo muerto del detector (uso de fuentes de 204Tl meialua). • Estudio de la eficiencia del detector a la radiación y producido por una fuente de 137Cs. La actividad de la fuente fue de 5 ± 1 Ci al 05/01/1993 (considere un error del 10%, por el momento). • Estudio de la retrodispersión de las partículas, procedentes de una fuente de 204Tl, causada por materiales de diferentes números atómicos. • Estudio de la ley de variación de la tasa de contar con la distancia del detector a la fuente de 137Cs. • Estudio de la dispersión estadística del número de cuenta de 35 muestras obtenidas con la fuente de 137Cs.

1.1 Discusión

En el estudio de la radiactividad Normalmente, hay tres parámetros asociados con un origen desconocido que son necesarias saber. Estos son: 1) ¿Qué tipo de partículas es la fuente emisora, 2) ¿Cuáles son las energías de estas partículas, y 3) ¿Cuántas partículas por unidad de tiempo es la fuente emisora. En este experimento, el contador Geiger-Müller (llamado GM) se utilizará para ayudar a responder a la tercera cuestión. En experimentos posteriores, conseguir las otras dos cuestiones se estudiarán en detalle. El tubo GM es uno de una variedad de detectores de radiación que se aprovechan del hecho de que las partículas cargadas pierden energía en el gas por pares electrón-ión Creación. En el aire, por ejemplo, una partícula alfa ionizan de 50.000 a 100.000 moléculas por cm de trayecto de los STI. El tubo Geiger es un cilindro de metal Simplemente que se llena con algún tipo de cuenta de gas. La ventana delgada en un extremo del cilindro permite que la radiación para entrar en la región de contar. Los pares iónicos son producidas por que la salida y la radiación son arrastrados por un campo eléctrico recogidos que se mantiene entre el hilo fino en el eje del tubo (ánodo) y el cilindro de metal (cátodo). El campo eléctrico entre estos dos electrodos es lo suficientemente alta que los iones producidos por la radiación inicial se aceleran y producen iones secundarios. Este fenómeno se llama una avalancha. En este experimento y s s se medirá con uno de estos tubos ventana final Geiger. Con el fin de detectar gammas Con estos detectores el proceso de dos pasos deben ocurrir. La gamma deberá efectuar la interacción fotoeléctrica o Compton en el gas. Los electrones de retroceso de estas interacciones producen entonces los pares iónicos que provoca la avalancha. En el experimento, se verá que el tubo GM es muy eficaz para la detección de partículas beta y el gradiente de tensión en el tubo como será que cualquiera de estas partículas ionizantes entrar en la delicada región que provocará una avalancha. El pulso de la salida es mayor a un voltio. El tubo GM no distingue entre tipos de partículas o de energías, sino que sólo da un pulso de la salida de partículas ionizantes CUANDO LOS desencadena esta avalancha. Estos pulsos de la salida se registran en los actos que escalador a una máquina electrónica agregando.

2. DETERMINACIÓN DE LA MESETA DE FUNCIONAMIENTO DEL TUBO GEIGER 2.1 Procedimiento experimental

La figura 1 muestra una curva típica de la meseta de tensión para el tubo GM. En baja tensión no hay salida. A medida que la tensión es mayor, será un recuento de algunos grabados en el "voltaje de salida." A medida que la tensión es mayor otras preguntas, el cambio de tasa de conteo rápido será hasta el "codo" o umbral de la meseta que se llegó. A partir de este momento, la tasa de conteo es bastante constante y aproximadamente 200 voltios. Esto se llama la región de la meseta. Poco después de la región de la meseta, el tubo se rompe y entra en una descarga continua. La tensión de funcionamiento de las medidas en este experimento será del 25% de la meseta por encima de la rodilla o umbral. tubos de halógeno de apagado Geiger, tales como el modelo PK-2 utilizada en este experimento, no son perjudicados por la descarga continua. Bajar el voltaje a nivel meseta, y el tubo GM volverá a funcionar normalmente.

Figure 1. Typical Geiger-Mueller Characteristic Curve.

Figure 2. Electronics for GM Counting

1. Establecer la electrónica, como se muestra en la Figura 2 2. Coloque la fuente de beta 204Tl en el segundo estante del stand de GM. Ajuste el temporizador del

"manual" para que la tensión en el tubo puede ser levantó lentamente y el alumno puede observar todas las características de la figura 1. Levante lentamente el voltaje hasta que la tensión inicial es alcanzado. Anote este valor. Seguir aumentando la tensión hasta que los niveles de tasa de conteo. Esta es la rodilla de la meseta. Anote este valor. Continuar aumentando el voltaje hasta que la región la interrupción del voltaje que se llegó. Anote este valor. Con esto concluye la inspección visual de la curva.

3. Ahora vamos a tomar datos de manera que la curva de la meseta se puede trazar y estableció el voltaje de operación para el tubo GM. Ir de nuevo al valor de la tensión inicial y tener en 60 seg.

cuenta en incrementos de 50 V hasta el punto de ruptura se alcanza. Complete la Tabla 1.

2.2 Análisis de Datos

Trazar una curva de velocidad de recuento en función del voltaje y determinar la posición de la rodilla y la región de ruptura Voltaje. Registre el punto de funcionamiento que es de 25% de la meseta a partir de la rodilla. La región de la meseta se eleva con una pendiente suave. Calcular el valor de la pendiente. Debe ser un poco menos del 10%. 3. RESOLUCIÓN DE CORRECCIONES DE TIEMPO

3.1 Discusión

En la discusión anterior se mencionó que la partícula beta entra en el tubo GM a través de la ventana y pierde su energía mediante la creación de pares electrón-ión. Los electrones que se producen en la avalancha resultantes son acelerados hacia el ánodo y se recoge en un corto período de tiempo. Los iones positivos, sin embargo, son más masivas y hacer su camino lentamente hacia el cátodo cilíndrico. Si su tiempo transitoria promedio se llama t1 el tubo GM está ocupado, por así decirlo, durante t1. Si otra partícula ionizante entra en el tubo GM durante t1 no serán contados. Esta vez t1 es llamado el "tiempo muerto" del tubo. En este experimento, el tiempo de resolución del tubo GM será determinado y el factor de corrección que puede dar cuenta de estos hechos perdieron será mostrado.

3.2 Procedimiento experimental 1. Poner el contador de GM en su voltaje de operación. Obtener la división fuente del instructor. Esta fuente está diseñada de tal manera que cada mitad de la fuente se pueden contar por separado, sin demasiadas pérdidas, pero cuando ambas partes se cuentan al mismo tiempo, se producen pérdidas importantes. Cuente el primer semestre de la fuente en un estante durante 60 seg. Calcular el número de cuentas y llamar a este tipo de Ra. Repita la medición exacta de la segunda mitad de la fuente y el llamar a este tipo de Rb. Ahora cuentan las dos mitades de 60 segundos y llamar a este tipo de Ra + b.

3.3 Análisis de DatosCalcule el tiempo de resolución del tubo GM, que está dada por:

La verdadera tasa de conteo R1 puede calcularse a partir de la tasa de recuento observada (R2) por el texto siguiente:

Nota: Debido a la electrónica de estado sólido que se utiliza en el circuito de los instrumentos modernos, como el escalador, el tiempo de resolución de estos instrumentos es normalmente un microsegundo o menos. Por lo tanto, sólo el tiempo de resolución del tubo GM afecta a la tarifa de la cuenta verdadera.Para el resto de los datos obtenidos en el experimento con el tubo de GM, ec. (2) debe ser utilizado para corregir la tasa de recuento resultante. Además, las fuentes radiactivas debe ser retirada y tomar un fondo de 60 seg. Este tipo de fondo debe ser restado de todas las mediciones.

4. ESTUDIO DE LA EFICACIA DE UN CONTADOR DE GM gammas y betas4.1 Procedimiento experimental1. Establecer el sistema de GM (Fig. 2) como lo hicimos en la sección 2. (Nota: Una radiación GM metros encuesta también se puede utilizar para este experimento). Ajuste la tensión del tubo GM para su valor operativo.2. Coloque el l Ci 137Cs de origen en el segundo estante y contar durante 1 minuto. Registre este valor en la Tabla 2, Beta y Gamma (prueba 1) y registrar el promedio cts / min.3. Coloque una pieza de 8.1 pulgadas de aluminio en el estante entre la fuente y el detector de un número. Este espesor de aluminio es mayor que el rango de la versión beta de 514 keV de 137Cs, pero no sensiblemente atenuar los 662 keV gammas de la fuente (ver el esquema de desintegración fig. 3). Hacer dos mediciones independientes de 60 segundos con este escudo beta en su lugar. Registre el promedio en la Tabla 2 como gamma solamente.

4.2 Análisis de Datos

Resta los Gammas sólo de la Beta y Gamma cuenta para obtener el número real de Betas y grabar.Puesto que el tubo GM es casi del 100% de eficiencia para las versiones beta, este número representa el número de versiones beta que inciden en la ventana del tubo GM. ¿Cómo se compara esta cifra con el número teórico que se calcula de la actividad de la fuente de 137Cs y la geometría?La eficiencia relativa de GM tubo de Gammas: Este número se calcula tomando la relación de gamas cuentan con el número teórico que inciden en la cara del tubo. A partir de este experimento, el estudiante debe tener cierta familiaridad con los amortiguadores de beta y la eficiencia de GM. El portátil contador GM o metro encuesta es uno de los instrumentos básicos utilizados en la Vigilancia de la salud física.

Figure 3. Decay scheme for 137Cs (simplified).

4. RETRODISPERSIÓN BETA EN FUNCIÓN DEL NÚMERO ATÓMICO 5.1 La radiación beta Los procesos por los cuales las partículas pierden energía en los amortiguadores son similares a las de los alfas. Sin embargo, un proceso adicional debe ser considerado en el trato con absorción. Este es el proceso mediante el cual se produce la radiación electromagnética, llamada radiación de

frenado. Una partícula tiene una masa muy pequeña y la mitad del valor de la carga de una partícula . Así, para una energía dada, una partícula tendrá una velocidad mucho mayor que una partícula . Como resultado de estos y otros factores, la partícula tiene una menor ionización específica lo que significa que la penetración en cualquier amortiguador será mucho mayor que el de una partícula . Una partícula de 1 MeV viajarán cerca de 10 pies en el aire. Con el fin de penetrar en la capa de piel muerta, una partícula debe tener una energía de unos 70 keV. la radiación beta se considera un peligro externo leve. El espesor y la elección de los materiales de blindaje de la radiación beta depende de: (1) detener la s más enérgico, y bremsstrahlung (2). El espesor de blindaje que es necesario dejar de partículas a una energía dada disminuye con el aumento de la densidad. Por ejemplo, cerca de 0.1 pulgadas de aluminio ( = 2,7 g / cm 3) se detendrá la beta 1.5 MeV, mientras que sólo cerca de 0.024 pulgadas de plomo ( = 11.3 g / cm 3) es necesario para el mismo propósito. Sin embargo, la producción de radiación de frenado aumenta con el aumento de número atómico del absorbente. A fuente con Emax = 1 MeV pierde alrededor del 3% de su energía como radiación de frenado cuando el plomo (Z = 82) es el absorbedor. Si aluminio (Z = 13) es la absorción, la fracción se trata? %. Por lo tanto, amortiguadores de baja-Z como el aluminio, plástico o incluso de vidrio son eficaces escudos. Cuando usted está tratando de medir una fuente de beta-emisor, el entorno medioambiental son importantes. Por ejemplo, supongamos que en un sitio del reactor alguna actividad beta ha derramado en un tubo de acero. La medición que se hizo con un portátil contador GM tendría que ser corregida para la beta retrodispersión de hierro. Este experimento está diseñado para dar al estudiante una visión general de estos fenómenos retrodispersión y cómo puede afectar a la tasa observada a partir de la fuente.

5.2 Procedimiento experimental 1. Utilice el mismo de la electrónica de GM (fig. 1) que se empleó en los experimentos pasados. 2. Coloque la fuente 204Tl (ver fig.4 por su esquema de desintegración) en el tercer estante del montaje de GM. Contar durante 60 segundos y registrar en la Tabla 2, NINGUNO. 3. Coloque la hoja de aluminio retrodispersión del kit de retrodispersión (véase el cuadro 3) en contacto con la fuente para mejorar la retrodispersión. Contar durante 60 segundos y registrar en la tabla 3. Repita el procedimiento para los otros materiales en el kit y rellenar el resto de la tabla.

Figure 4 Beta decay scheme for 204Tl.

5.3 Análisis de DatosDe la actividad conocida de la fuente 204Tl y el hecho de que el contador GM es casi el 100% de eficiencia para una fuente de beta puro, el cálculo de la cuenta / minuto que se esperan para el conjunto geométrico se esté usando. ¿Cómo comparar su respuesta a la medición efectuada sin retrodispersión?El factor de retrodispersión (BF) se define la relación de cuentas / minuto con un dispersor, divide las cuentas / minuto sin un medio de dispersión. El cálculo de este valor para cada una de las mediciones y llenar en el cuadro 3. Calcular la retrodispersión por ciento de sus datos y la trama de este valor (eje y) en función del número atómico del material retrodispersión. Figura 5 muestra un gráfico de algunos datos experimentales típicos.

Figura 5. Porcentaje de retrodispersión en función del número atómico del material backscateting.

6. LA LEY DEL CUADRADO INVERSO6.1 DiscusiónLa mayoría de las fuentes radiactivas se isotrópica en la naturaleza. Esto significa que gammas (para una fuente de rayos gamma) se emiten por igual en todas las direcciones. Hay algunas fuentes, sin embargo, donde existe una correlación de uno gamma con respecto al otro que no es isótropo. Esta correlación angular permiten predecir algunas propiedades de los estados nucleares que intervienen en la descomposición de estos isótopos. En el caso de una fuente isotrópica, es un hecho bien conocido que la intensidad de la fuente cae como 1/r2. En este experimento, esta relación 1/r2 para una fuente de 137Cs será verificada.6.2 Procedimiento experimental1. Ajustar la tensión de la lucha contra GM en su valor de operación. Determinar el tipo de fondo de escrutinio.2. Para este experimento, utilice una fuente de 137Cs. Las betas de la fuente debe ser atenuado a cabo, dado que la absorción del aire de las betas que modificar los resultados. Esto puede hacerse colocando un pedazo fino(1 / 16 ") de casi cualquier material entre la fuente y la ventana. Coloque la fuente de 137Cs 1 cmdesde la ventana y contar por un periodo de tiempo suficientemente largo para obtener buenas estadísticas.

Anote estesin corregir la tasa de conteo en la Tabla 4.

3. Mover la fuente a la posición de 2 cm y cuenta por un período de tiempo suficientemente largo para obtener estadísticas razonable. Registrar la tasa sin corregir contar en la Tabla 4. Continuar por las distancias otros en la tabla. Debería ser obvio que el tiempo de conteo tendrá que ser mayor para las distancias más largas para obtener buenas estadísticas.6.3 ANÁLISIS DE DATOSSobre el papel milimetrado, la parcela frente a la intensidad de corregir a distancia. Desde el punto de 3 cm de datos, obtener la constante K de la siguiente manera:

En la misma curva, la ecuación parcela. (3) con los otros valores de R. Utilice el valor de K que se encontraba anteriormente.Lo que hemos hecho es normalizar los datos para la medición de 3 cm. ¿Cómo comparar las dos curvas?7. VARIACIÓN DE DATOS ESTADÍSTICOS7.1 DiscusiónNo hay manera de predecir cuando una persona va a tener un accidente de automóvil que tiene $ 1000 por valor de daños en el coche. Sin embargo, si un gran número de conductores se considera que es posible que una compañía de seguros para predecir con una exactitud razonable, cuántos accidentes, que cuestan $ 1000 este año se producirán. Las compañías de seguros utilizan ordenadores para almacenar grandes montones de datos estadísticos por lo que puede predecir con exactitud estas probabilidades de sucesos aleatorios.La desintegración radiactiva de un núcleo es también un acontecimiento al azar. No hay manera de determinar la decadencia cuando un núcleo especial. Sin embargo, la vida media puede ser determinado con exactitud. Si dos cargos idénticos se toman en secuencia en un radioisótopo vivido mucho tiempo, la cuenta casi siempre son diferentes. Si un gran número de estas cuentas individuales se toman, la media de N de la cuenta puede ser determinada. De estos datos, una desviación previsible de cada cargo de este promedio se puede calcular. La desviación estándar es:

Para este experimento, 35 mediciones independientes se tomarán en el 137Cs isótopos de vida larga (T1 / 2 = 30y) y con estos datos el comportamiento previsible de las mediciones se muestran.7.2 Procedimiento experimental1. Coloque el voltaje de funcionamiento del contador GM a su valor recomendado. Coloque la fuente de 137Cs a una distancia tal que 2000 cuentas pueden ser obtenidos en 0,5 min.2. Tome 35 secuencial 0.5 minuto cuenta y registro de estos eventos sin corregir (N) en una tabla similar a la tabla 5.

7.3 Análisis de DatosCalcular el promedio de estos 35 cargos N. Tabular N N en la tabla. Tenga en cuenta, el númeroN Npuede ser positivo o negativo. Si se suman todos los de la N Nen la mesa, la respuestadebe ser cero. Si no es así, un error se ha hecho. Calcular que es N. Esto se llama la desviación estándar. Sesenta y ocho (68) por ciento de los datos observados se encuentran dentro de la gama. En el caso anterior, 24 de estas medidas debe estar dentro de este rango. ¿El ajuste de los datos?Calcular (N N ) / s y tabular en la tabla de datos. Ahora redondear el valor de cada entrada con una precisión de 0,5. Por ejemplo, si (N N ) / s = 1,11, la cifra redondeada sería uno, etc Parcela la frecuencia de eventos redondeado frente y una curva de distribución normal debe considerarse. Figura 6 muestra una curva de distribución normal que debe ser similar a los cálculos.

Figura 6. Gaussiana típica. De creación de un Amplio conjunto de datos.