Nyt til fysik A. Partikelfysik. nye muligheder. nyt pensum nyt udstyr

Transkript

1 Nyt til fysik A nyt pensum nyt udstyr nye muligheder Partikelfysik Det nye emne i pensummet for fysik A rummer flere eksperimentelle aspekter, som rent faktisk kan håndteres i gymnasiet. Kosmisk stråling i form af myoner kan studeres med store GM-rør og en koincidens-boks blot man afsætter god tid til måleserierne. Positronannihilation er et eksempel på partikelomdannelse, som også har en tangent til relativistisk mekanik. Udstyret er omtrent det samme som for myonobservationer dog gerne med mindre GM-rør. Gammaspektroskopi Masser af nye eksperimenter bliver mulige, når man er i stand til at måle gammakvanters energi frem for blot at tælle dem. Uheldigvis ligger udstyr til gammaspektroskopi traditionelt i den kostbare ende for et gymnasium. Udstyret, som præsenteres på de næste par sider reducerer omkostningerne til noget, der er mere håndterligt. Vi har lagt vægt på at udvikle et undervisningssystem til gammaspektroskopi. Vi udelader dermed nogle af de avancerede faciliteter, som kræves af forskningsudstyr til fordel for overskuelighed og lav pris. Relativistisk mekanik Comptonspredning kræver en relativistisk behandling, når man er ude over det rent fænomenologiske. Med vores gammaspektrometer og sættet til Comptonspredning, bliver en eksperimentel behandling mulig.

2 Gammaspektrometri Systemets opbygning Forventet levering november Et gammaspektrometer består af to hardware-dele: En energifølsom detektor og udstyr til behandling af signalet fra detektoren. Måledata opsamles normalt af en computer. En meget udbredt detektortype er scintillationsdetektoren: Et indkommende gammakvant afleverer sin energi i en såkaldt scintillationskrystal, som derved udsender et mikroskopisk lysglimt. Lyset registreres af en følsom fotocelle (en photomultiplier), som omsætter signalet til en elektrisk impuls. Det elektriske signal fra detektoren er proportional med den energi, der afsættes i krystallen. En multikanalanalysator (MCA MultiChannel Analyzer) sorterer de indkommende impulser fra den energifølsomme detektor i et stort antal kanaler efter deres størrelse. Når tælletallene i kanalerne plottes som funktion af kanalnummeret, bliver resultatet et energispektrum. I en sådan opstilling er den software, som indsamler og præsenterer data, lige så vigtig som hardwaren. Vi har valgt at inkludere softwaren i prisen for MCA en som derved bliver endnu mere attraktiv. Scintillationsdetektoren Denne detektor er den ideelle makker for vores nye multikanalanalysator. Detektorens størrelse, lave forsyningsspænding og pris! skyldes anvendelsen af faststofteknologi. Endnu en fordel ved photomultipliere af silicium er, at de er aldeles ufølsomme overfor eksterne magnetfelter. Den anvendte scintillationskrystal af cæsiumiodid måler 6 x 6 x 15 mm, hvilket giver en udmærket vinkelopløsning i f.eks. eksperimenter med Comptonspredning. Denne krystalstørrelse vil naturligvis være mindre følsom end de kæmpestore NaI-krystaller, som normalt bruges sammen med photomultiplier-rør, men sammen med en almindelig gammakilde fra Risø, opnås alligevel en total tællehastighed over 2000 pr. sekund. Energiopløsningen (halvværdibredde) er ca. 7 % ved 662 kev (Cs-137) hhv. 5 % ved kev (Co-60). Detektorens forsyningsspændinger leveres af MCA en. Biasspænding styres gennem softwaren, så forstærkningen holdes uafhængig af temperaturændringer Scintillationsdetektor... kr ,00 2

3 Multikanalanalysator Frederiksens MCA tilbyder 1024 kanaler, variabel analog og digital forstærkning, variabel integrationstid og indbygget logik til forhindring af pile up (dvs. en impuls starter oven i den foregående). Denne hardwarebaserede MCA kan håndtere tællehastigheder over 10 MHz, så du vil aldrig opleve MCA en som en flaskehals! Frederiksens MCA og den tilhørende software er specielt udviklet sammen med scintillationsdetektoren, som beskrives overfor, men en AUX indgang kan anvendes sammen med anodesignalet fra et traditionel photomultiplier-rør. Derved vil man ofte være i stand til at genanvende scintillationsdetektoren fra et ældre system med en forældet MCA eller software. MCA en bruger ikke en ekstern strømforsyning, men forsynes via USB-forbindelsen Nyudviklet, brugervenlig, dansk software Når MCA en er tilsluttet computeren, og programmet kører, kan dataopsamlingen startes med et tryk på en knap: Alle indstillinger huskes fra sidste kørsel, men kan naturligvis let justeres til andre opgaver. Standardindstillinger for hhv. Cs I(Tl) og Na I(Tl) scintillationsdetektorer kan genfindes med tryk på en knap. Programmets starttilstand kaldes et frit eksperiment og giver adgang til at starte, stoppe og ændre hardwareparametre uden begrænsning. Derudover kan to mere strukturerede tilstande vælges: Et spektrum-eksperiment betegner en kørsel med et veldefineret sluttidspunkt, hvor alle parametre er låste, og hvor der evt. gemmes et backup-spektrum med faste mellemrum. I et henfaldseksperiment gemmes kumulerede spektre med faste mellemrum. Programmet kan vise såvel kumulerede som differentielle data. I spektret kan der markeres et eller flere energiintervaller, hvis tælletal kan summeres, eller data kan tilpasse en gauss-funktion Multikanalanalysator...kr ,00 3

4 Gammaspektre Spektret fra en scintilationsdetektor viser ikke kun energien af gammakvanterne, som de udsendes fra kilden. Detaljer i spektret vidner om stødprocesser mellem gammakvanter og elektroner. Hvis den fulde gamma-energi afsættes i scintillationskrystallen, giver det en tælling i fototoppen. At toppen har en vis bredde, skyldes at omsætningen af gamma-energien til et vist antal synlige fotoner og efterfølgende elektronisk registrering af disse er af stokastisk natur. Ofte støder gammakvantet sammen med en løst bundet elektron i detektoren så en del af energien overføres til denne. Sådanne Comptonspredte gammakvanter har en stor sandsynlighed for at fortsætte ud af detektoren igen, så deres andel af energien ser vi ikke mere til. Derimod registreres energien af den rekylerende elektron med stor sandsynlighed. Grundet impulsbevarelse er der en øvre grænse for hvor meget af energien, der kan overføres til elektronen. Denne øvre grænse kaldes for Compton-kanten. Den omvendte situation er også mulig: Et gammakvant kan først støde sammen med en elektron udenfor detektoren og derefter blive registreret med den energi, den har tilbage. Energien af de spredte gammakvanter har jf. foregående afsnit en nedre grænse, kaldet backscatter-kanten. Beregninger på disse stødprocesser er en glimrende chance for at anvende speciel relativitetsteori. I spektret vil man også ofte kunne observere røntgenstråling fra datterkernen. Hvis man bestråler en blyplade med en Cs-137 kilde vil man desuden kunne påvise røntgenfluorescens fra bly. Karakteristiske detaljer i spektret fra Cs-137 Ditto med røntgenfluorescens fra en blyplade Ud over gammastråling fra kernen kan man også ofte identificere en top ved 511 kev, svarende til hvilemassen af en elektron. Denne stammer fra anihillation af positroner og elektroner. Toppen ses naturligvis i særdeleshed, når man måler direkte på en positron-emitter som Na-22, men også i tilfælde af meget energirige gammakvanter vil man se spor af pardannelse og efterfølgene annihilation. Na-22 spektrum 4

5 Comptonspredning Comptoneffekten illustrerer partikelnaturen af gammastråling. Når et gammakvant preller af på en elektron, afhænger dets energitab af spredningsvinklen. Princippet bag dette apparatur er den gamle geometriske sandhed, at størrelsen af en periferivinkel er defineret af den bue, den spænder over. Vi kan derved opnå, at spredningsvinklen er den samme over en meget stor rumvinkel. Disse rotationssymmetriske aluminiumtargets giver en høj tællehastighed for to faste spredningsvinkler på ca. 60 og 90. Med vores gammaspektrometer og en standard Cs-137 kilde kan brugbare differensspektre opnås for begge vinkler indenfor en time. En bly-absorber blokerer for den direkte stråling fra kilde til detektor. Korrektion for baggrundsstråling (herunder spredt stråling fra bordpladen mv.) håndteres af softwaren Sættet omfatter to sæt skalformede targets samt en central holder med justeringsskruer og bly-absorber Comptonspredning, sæt.... kr ,00 Ud over sættet til Comptonspredning, gammaspektrometeret samt en gammakilde, benyttes følgende: Skinne til opstillingsbænk, 40 cm... kr. 365, Rytter med et Ø10 mm hul (2 stk.) pr. stk.... kr. 144, Kildeholder til opstillingsbænk, simpel.... kr. 325,00 5

6 Kilder Natrium-22 Positron- og gammakilde fra Risø. Godkendt til undervisningsbrug. Natrium-22 henfalder ved β + -henfald kilden udsender positroner. Desuden udsender Na-22 kilden gammastråling med en energi på 511 kev og 1275 kev. Denne lukkede kilde er specielt konstrueret, så positronerne kan slippe igennem indkapslingen. I mange andre Na-22 kilder standses positronerne i selve kilden, som dermed kun er egnet som gammakilde. Når positronerne er frie af kilden, er det muligt i et afbøjningsforsøg at påvise f.eks. partiklernes positive ladning. Ud over positroner udsender kilden som nævnt også gammastråling. Dels den prompte 1275 kev gammastråling fra selve kernen, dels 511 kev annihilationskvanterne fra processen e + + e - 2γ. Annihilationen sker først efter nedbremsning af positronen, og kvanterne udsendes derfor (grundet impulsbevarelse) i diametralt modsatte retninger. Dette er princippet bag PET-scanneren Na-22 kilde (positroner)....kr ,00 Cobolt-60 Gammakilde fra Risø. Godkendt til undervisningsbrug. Cobolt-60 henfalder ved β - -henfald, men kilden er konstrueret, så stort set al betastrålingen absorberes internt. Datternuklidet nikkel-60 dannes overvejende i en exciteret tilstand, som henfalder i to trin under udsendelse af gammastråling med energierne 1173 kev og 1332 kev. Denne lukkede kilde kan f.eks. anvendes til demonstration af en prompt gammakaskade. Halveringstiderne for de to gammahenfald ligger begge under et picosekund (10-12 s), så de kan betragtes som udsendt samtidigt. Med en koincidensboks kan man derfor påvise en tællehastighed for koincidenser, som ligger klart over niveauet for tilfældige koincidenser. I modsætning til annihilationskvanterne fra Na-22, hvor der er en meget stærk vinkelkorrelation mellem de to udsendte kvanter, er de to gammakvanter fra et Co-60 henfald kun svagt korrelerede. Der er en forskel på ca. 17 % mellem sandsynlighederne for udsendelse i hhv. 90 og 180 vinkel. Co-60 er desuden velegnet i forbindelse med et gammaspektrometer som eksempel på et spektrum, der er lidt mere kompliceret end for Cs-137, uden at det bliver for komplekst Co-60 kilde (gamma)... kr ,00 6

7 De velkendte Risø-kilder Godkendte kilder til undervisningsbrug. Du kan finde en grundig beskrivelse af disse kilder på her blot et par stikord: Alfakilden udsender ikke blot ca. 5,5 MeV alfastråling, men også gammastråling, hyppigst med en energi på 59,5 kev. Betakilden udsender betastråling fra Sr-90 (546 kev) og Y-90 (2,3 MeV). Partiklerne med de allerlaveste energier absorberes i forseglingen. Kilden er utroligt ren : Kun i 0,017 % af henfaldene udsendes en 1,7 MeV gamma. Gammakilden er baseret på betahenfald af Cs-137. Dog absorberes næsten al betastråling i kilden. Gammakvanterne har energien 661,7 kev Alfa-, beta- og gammakilde inkl. opbevaringsholder.... kr , Alfakilde (Am-241)...kr , Betakilde (Sr/Y-90)...kr , Gammakilde (Cs-137)...kr , Opbevaringsholder...kr. 175,00 Radioaktive sten Mineralprøver fra Norge med følgende seks mineraler: Uraninit (UO 2, U 3 O 8 ) Thorit (ThSiO 4 ) Euxenit (Y,Ca,Er,La,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti) 2 O 6 Orthit (Allanit) (Ce,Ca,Y) 2 (Al,Fe 2+,Fe 3+ ) 3(SiO 4 ) (Si 2 O 7 )O(OH) Pyrochlor (Ca,Na) 2 Nb 2 O 6 (OH,F) Raudberg (FeCO 3, Fe 2 O 3 ) ganske svagt radioaktivt Da der er tale om naturligt forekommende radioaktive mineraler, vil dette produkt være uensartet. Størrelsen varierer (fra tommelfingerstor ned til en kvart sukkerknald, for at give et indtryk). Prøverne leveres med beskrivelse på norsk. Figuren viser et gammaspektrum for Euxenit med tydelige toppe fra Pb-214, Bi-214 og Ra Radioaktive sten.... kr. 495,00 Isotopgenerator Godkendt isotopgenerator til undervisningsbrug. Muliggør eksperimentel bestemmelse af halveringstiden for Ba-137m Isotopgenerator inkl. ekstraktionsvæske....kr , Ekstraktionsvæske til kr ,

8 Myon-observatorium Kraftig konstruktion med plads til maksimalt 40 stålabsorbere (20,5 kg!). Der medfølger 25 absorbere i form af 3 mm blåchromaterede stålplader. I shower mode kan man variere afstanden fra den nederste absorber til GM-rørene mellem 0 og 180 mm. I teleskop mode kan afstanden mellem de to yderste GM-rør variere fra 240 til 560 mm. (GM-rør og koincidensboks anskaffes separat.) Myon-observatorium...kr , Ekstra absorbere (5 stk.)... kr. 215, Koincidensboks Benyttes til påvisning af samtidige begivenheder i GM-rør. Udgangen af boksen sender en impuls til en ekstern tæller, når to (eller valgfrit tre) af indgangene tilføres en impuls samtidigt. Herved kan man f.eks. påvise gammakaskaden i henfaldet af Co-60, eller at annihilationskvanter udsendes i en vinkel på 180. Koincidensboksen bruges også i studiet af kosmisk stråling med Myon-observatorium. Tilsluttes to eller tre ens GM-rør. Udgangsimpulserne registreres af en tæller f.eks , eller Pasco digitaladapter PS Koincidensboks...kr ,00 Drejeled til optisk bænk Til undersøgelse af vinkelafhængigheden af koincidenstælletal anvendes dette drejeled sammen med kildeholder Drejeled til optisk bænk..kr. 525,00 Kildeholder til drejeled Med denne kildeholder kan en Risøkilde placeres præcist i omdrejningsaksen af drejeleddet. Holderen er drejet ud af plast, hvilket sikrer en rotationssymmetrisk opbygning Kildeholder til drejeled...kr. 95,00 Geigertæller Universaltæller til alle vore GM-rør samt koincidensboksen. Nem og logisk betjening GM tæller...kr , Opstillingsbænk Opstillingsbænk til Risøkilder og GM-rør, som giver en stabil opstilling. Består af en 40 cm lang bænk med mm-inddelt skala, holder til GM-rør og holder for Risøkilder, med en metalstang til ophængning af afskærmningsplader, der kan monteres i kildeholder. Inkl. absorbersæt Opstillingsbænk... kr , Løs skinne, 40 cm...kr. 365, Alle priser er ekskl. moms og forsendelse. Der tages forbehold for trykfejl og udsolgte varer. A/S Søren Frederiksen, Ølgod Tel info@frederiksen.eu Viaduktvej Ølgod Fax Afd. Aarhus: Silkeborgvej 765 J DK-8220 Brabrand