background image

Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ 

 

 

Ćwiczenie 501 

Badanie absorpcji promieniowania 

ββββ 

 
Przed zapoznaniem się z instrukcją i przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy opanować następujący 
materiał teoretyczny:
 
1.  Budowa atomu i jądra atomowego, [1] lub [2]; [3]. 
2. Reakcje jądrowe, [1] lub [2]; [3]. 
3. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna, [1] lub [2]; [3]. 
4.  Emisja i widmo energetyczne cząstek 

β, [1] lub [3]. 

5.  Sposoby detekcji promieniowania radioaktywnego; zasada działania licznika scyntylacyjnego, [3]. 

 

Cel ćwiczenia 

Celem ćwiczenia jest zbadanie absorpcji promieniowania 

β w ciałach stałych poprzez: 

-  wyznaczenie krzywej absorpcji, 
- wyznaczenie 

zasięgu efektywnego, energii maksymalnej oraz prędkości cząstek 

β o zasięgu maksymalnym, 

- wyznaczenie 

grubości warstwy połówkowego osłabienia wiązki cząstek 

β, 

-  wyznaczenie nieznanej grubości absorbenta. 
 

Metoda pomiaru 

Pomiary absorpcji promieniowania polegają na zliczaniu liczby cząstek przechodzących w określonym czasie 

przez absorbent. Osłabienie promieniowania przechodzącego przez materię ma charakter wykładniczy 

x

e

I

I

µ

=

0

,                                                                              (1), 

gdzie I

0

 – natężenie promieniowania przed absorbentem, I – natężenie promieniowania po przejściu przez absorbent 

o grubości x

µ − współczynnik absorpcji absorbenta. Przy pomiarach absorpcji grubość absorbenta wygodniej jest 

podawać nie jako długość przebytej drogi wyrażoną w metrach lecz jako tzw. gęstość powierzchniową wyrażoną w 
kg/m

2

 lub jednostkach pochodnych (np. mg/cm

2

). Otrzymuje się ją ze wzoru 

S

m

x

=  

 

                                                                 (2), 

gdzie m oznacza masę absorbenta w postaci kawałka folii lub warstwy a S oznacza pole powierzchni tego kawałka. 
Podejście takie daje praktyczną korzyść, gdyż wyznaczenie masy i powierzchni kawałka cienkiej folii obarczone 
jest mniejszym błędem niż pomiar jej grubości. Jeżeli grubość  będziemy podawać  używając pojęcia gęstości 
powierzchniowej to współczynnik absorpcji będzie wyrażony nie w m

−1

 tylko w m

2

kg

−1

.  

Należy zauważyć,  że dla bardzo grubych próbek absorbenta liczba zliczeń rejestrowanych przez detektor nie 

spada do zera lecz do poziomu zliczeń tła.  

Grubość próbki absorbenta, dla której natężenie promieniowania spada do połowy wartości początkowej, 

nazywamy grubością połówkową d

1/2

. Pojęcie grubości połówkowej możemy uzależnić od współczynnika absorpcji. 

Jeżeli  

2

/

1

d

x

=

,                                                                                (3) 

to 

0

2

1

I

I

=

.                                                                                  (4) 

Wstawiając powyższe zależności do wzoru (1) otrzymujemy 

2

/

1

0

0

2

1

d

e

I

I

µ

=

,                                                                         (5) 

skąd wynika związek współczynnika absorpcji i grubości połówkowej 

2

/

1

2

ln

d

=

µ

.                                                                               (6) 

Absorpcja promieniowania 

β określona jest przede wszystkim przez gęstość elektronów w materiale 

absorbenta, a wartości jej dla poszczególnych absorbentów nie wykazują istotnych różnic. Wykładnicze prawo 
absorpcji promieniowania jądrowego jest dobrze spełnione dla niezbyt dużych grubości absorbenta, mniejszych niż  
dwie warstwy o grubości połówkowej. Przy dokładnym spełnieniu wykładniczego prawa absorpcji, nie powinien 
występować maksymalny zasięg cząstek 

β. Należałoby oczekiwać stałej wartości grubości połówkowej, czyli, że 

liczba cząstek przy określonej masie powierzchniowej powinna, niezależnie od występującego zmniejszenia 
absorpcji, zmniejszyć się do połowy. W rzeczywistości zmniejszenie natężenia przy dużych grubościach absorbenta 
jest silniejsze niż wynikałoby to z wykładniczego prawa absorpcji i po kilku grubościach połówkowych natężenie 

background image

Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ 

 

 

promieniowania maleje do poziomu tła. Na rysunku 1 przedstawiono typową krzywa absorpcji promieniowania 

β. 

Odcięta punktu, dla którego krzywa absorpcji dąży do poziomu tła wyznacza tzw. maksymalny zasięg R

max

. Jest to 

największa grubość absorbenta,  przez którą mogą przenikać badane cząstki.  Ponieważ wartość  R

max

  jest zasięgiem 

  

ln I

ln I

0

R

max

ln /2

I

0

d

1/2

x

 

 

Rys. 1. Wykres zależności lnI=f(x) i sposób wyznaczenia grubości połówkowej i zasięgu maksymalnego. 

 

ekstrapolowanym to w bardzo niewielkiej warstwie absorbentu poza tym zasięgiem obserwować można jeszcze 
niewielką liczbę cząstek 

β. Maksymalne zasięgi cząstek  β wyrażone w metrach są różne dla różnych ośrodków. 

Jeżeli jednak zasięg wyrazimy w jednostkach gęstości powierzchniowej, to wówczas zasięg maksymalny prawie nie 
zależy od rodzaju absorbenta, a jedynie od maksymalnej energii kinetycznej E

k

 cząstek 

β. Dla cząstek β o energiach 

nie przekraczających kilku MeV, R

max

 zależy prawie liniowo od E

k

Dla przybliżonego obliczania zasięgu cząstek 

β o maksymalnej energii kinetycznej mniejszej od 1 MeV stosuje 

się zależność Feathera 

161

.

0

571

.

0

=

k

max

E

R

                                                                    (7) 

Jeżeli w równaniu tym wstawimy energię w MeV, to zasięg otrzymamy w g/cm

2

 

Układ pomiarowy 

Układ pomiarowy składa się z aparatury „Standard 70” opisanej w dodatku do ćwiczenia,  źródła 

promieniowania 

β oraz zestawu płytek różnych absorbentów. 

 

Przebieg pomiaru 

Przed włączeniem aparatury należy zapoznać się z instrukcją obsługi stanowiska pomiarowego, oraz z 

przeznaczeniem poszczególnych urządzeń manipulacyjnych. Następnie po uzyskaniu zgody prowadzącego zajęcia, 
włączyć aparaturę pomiarową. Po upływie 15 minut od chwili włączenia układ jest gotowy do przeprowadzenia 
pomiarów. 
1.  Po nagrzaniu się aparatury ustawić optymalne warunki pracy licznika scyntylacyjnego. Napięcie pracy sondy 

scyntylacyjnej powinno mieścić się w zakresie 1200-1400 V; zalecaną wartością jest 1350V.  

2. Wykonać  10 pomiarów tła i wyliczyć jego średnią wartość oraz obliczyć odchylenie standardowe od wartości 

średniej.  

Czas pojedynczego pomiaru ustala prowadzący zajęcia. Zalecany czas to 10 s. 

3.  Przy pomocy pęsety wstawić do komory pomiarowej źródło promieniowania 

β i wykonać pomiary jak w 

punkcie 2. 

4. Wykonać pomiary liczby zliczeń w funkcji gęstości powierzchniowej absorbenta tzn. w zależności od liczby 

płytek z danego materiału o znanej grubości umieszczonych w komorze pomiarowej pomiędzy  źródłem 
promieniowania a detektorem. Dla każdej grubości materiału absorbującego wykonać po trzy pomiary. (Rodzaj 
absorbenta ustalić z prowadzącym ćwiczenie.) 

5. Przeprowadzić pomiary liczby zliczeń dla płytki o nieznanej grubości. 
6. Powtórzyć pomiary dla innego absorbenta (o realizacji tego punktu decyduje prowadzący zajęcia). 

 

background image

Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ 

 

 

Opracowanie sprawozdania 

1. Sporządzić wykres zależności liczby zliczeń  N  od gęstości powierzchniowej absorbenta x w skali 

półlogarytmicznej (ln= f(x)). 

2. Na podstawie wykresów wyznaczyć efektywny zasięg cząstek 

β oraz grubość warstwy połówkowego  

osłabiania d

1/2

3.  Na podstawie wykresów znaleźć gęstość powierzchniową nieznanych płytek absorbenta. 
4. Obliczyć energię maksymalna E

k

 oraz jej błąd na podstawie empirycznego wzoru Feathera, w którym R

max

 jest 

mierzone w g/cm

2

5. Korzystając z obliczonej energii maksymalnej E

k

 i tablic izotopów podać jaki radionuklid został  użyty w 

ćwiczeniu. 

6. Obliczyć maksymalną prędkość V

max

 oraz jej błąd 

V

max

,

 

cząstek 

β na podstawie zależności 

(

)



=

1

1

1

2

2

0

c

V

c

m

E

max

k

gdzie 

kg

10

1

,

9

31

0

=

m

oznacza masę spoczynkową cząstki 

β a 

1

8

ms

10

0

,

3

=

c

 oznacza prędkość światła. 

 

Literatura

 

[1]  V. Acosta, C. L. Cowan, B. J. Graham, „Podstawy fizyki współczesnej”, PWN, Warszawa, 1981, (rozdział IV). 
[2]  M. Herman, A. Kalestyński, L. Widomski, “Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie”, PWN, 

Warszawa, 1991. 

[3] „Encyklopedia fizyki współczesnej”, PWN, Warszawa, 1983. 
[4]  Tomasz W. Wojtatowicz, „Metody analizy danych doświadczalnych – wybrane zagadnienia”, Wydział FTIiMS 

PŁ, Łódź 1998. 

 
 

Opis zestawu „Standard 70” 

 
Wyposażenie  ćwiczenia stanowi zestaw aparatury pomiarowej systemu „Standard 70”, w skład, którego wchodzą 
następujące elementy: 

Zasilacz niskiego napięcia ZNN 44 

Zasilacz wysokiego napięcia ZWN 21 

Wzmacniacz liniowy WL 721 

Analizator A 21 

Przelicznik P 21 

Sonda uniwersalna SSU 70  
Zestaw „Standard 70” jest aparatura kosztowną. Zaleca się ostrożność przy obsłudze. Zabrania się 

samowolnego przełączania kabli połączeniowych i innych manipulacji nieuzgodnionych z osobą prowadzącą 
zajęcia. 
 
Opis elementów zestawu 
a) Zasilacz 

niskiego 

napięcia ZNN 44 pobiera energię z sieci 220 V i służy do zasilania pozostałych elementów 

układu. Jednocześnie stanowi obudowę dla czterech paneli (tzn. wkładek szufladkowych) systemu 

 

„Standard 70”. Pod prawym uchwytem, w bocznej ściance, jest umieszczony wyłącznik sieciowy (czerwony 
przycisk) wraz z lampką sygnalizacyjną, uruchamiający cały układ  pomiarowy. Po upływie 15 minut od chwili 
włączenia zasilania, układ jest gotów do pracy. 

b)  Zasilacz wysokiego napięcia ZWN 21 zasila sondę SSU 70 wysokim napięciem o polaryzacji dodatniej i 

wartości regulowanej w trzech zakresach: 0 – 1000 V,  0 – 2000 V  i  500 – 2500 V.  Dopuszczalne  napięcie 
zasilające sondę  wynosi 1500 V. Odpowiedni zakres pracy wybiera się jednym z trzech przycisków, a żądaną 
wartość napięcia należy ustawić pokrętłem obrotowego potencjometru, posługując się jego skalą i 
uwzględniając nastawiony zakres. Dźwignia przy skali służy do unieruchomienia pokrętła. Zasilacz można 
włączyć tylko przy ustawieniu zerowej wartości napięcia wyjściowego. Włączenie sygnalizuje lampka 
kontrolna nad gniazdem.  

c)  Panel wzmacniacza liniowego WL 721 wzmacnia proporcjonalnie (liniowo) wartość napięciową impulsów 

nadchodzących z sondy oraz ze znajdującego się w niej przedwzmacniacza. Zarówno przesyłanie sygnału z 
sondy do wzmacniacza jak i zasilanie przedwzmacniacza następuje tym samym kablem poprzez gniazdo 
wejściowe. Panel posiada przełączniki klawiszowe zmiany stałej czasowej kształtowania impulsów 
wyjściowych (od 25 

µs do 4 µs) oraz skokowej regulacji wzmocnienia (od 10 do 640 razy). Potencjometr służy 

do płynnego regulowania wzmocnienia (od 1 do 3 razy). Przełącznik dźwigienkowy wybiera biegunowość 

background image

Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ 

 

 

impulsów wejściowych, na jakie ma reagować wzmacniacz. Impulsy wejściowe są dodatnie, lub po 
przełączeniu wewnątrz obudowy – bipolarne. 

d)  Panel analizatora A 21 posiada dwa wyjścia i zależnie od tego, które z nich się wykorzysta, pracuje jako 

dyskryminator progowy lub analizator. Na wyjściu dyskryminatorowym impuls pojawia się zawsze wtedy, gdy 
wartość napięciowa impulsu wejściowego przekracza poziom dolnego progu, ustawionego potencjometrem. Na 
wyjściu analizatorowym impuls pojawia się, gdy wartość ta zawiera się pomiędzy dolnym i górnym progiem a 
impulsy z poza tego przedziału wartości są eliminowane. Wyboru między tymi dwoma rodzajami pracy 
dokonuje  się przełącznikiem klawiszowym.  

Wciśnięcie górnego klawisza daje możliwość niezależnego ustawienia progu dolnego  (potencjometrem 

znajdującym się z lewej strony) i górnego (potencjometrem znajdującym się z prawej strony). Różnica 
poziomów progów daje szerokość tzw. okna analizatora. Należy pamiętać, aby wartość górnego progu była 
wyższa od wartości progu dolnego. Jeden obrót pokrętła oznacza przesunięcie progu o 1 V.  

Dolny klawisz włącza pracę „okienkową” analizatora. Wówczas lewym pokrętłem ustawia się  środek 

okna, a prawym jego szerokość, poprzez rozsuwanie obu progów działania. Ten rodzaj pracy bywa 
wygodniejszy przy niektórych pomiarach.  

Małe gniazda po prawej stronie służą do zadawania wartości dolnego progu napięciem z zewnątrz, po 

odpowiednim przełączeniu wewnątrz obudowy. Impulsy wyjściowe mają już standaryzowane i jednakowe 
parametry czasowo-napięciowe. 

e)  Panel przelicznika P 

21 zawiera 2 układy: licznika impulsów wejściowych (górny wyświetlacz) i 

elektronicznego zegara kwarcowego (dolny wyświetlacz). Ponad gniazdem wejściowym są czarne przyciski 
uruchamiania i zatrzymywania obu układów oraz wyboru jednostki czasu zegara: sekund lub minut (wybór ten 
potwierdza jedna z lampek obok przycisku). Czerwony klawisz służy do kasowania wskazań. W dolnym 
rzędzie znajduje się niebieski klawisz „T”, którego wciśnięciu powoduje, że po czasie pracy nastawionym 
jednym z czarnych przycisków (niebieskie cyfry) układy się zatrzymują. Po wciśnięciu czerwonego klawisza 
„N” układy się zatrzymują po zliczeniu liczby impulsów wybranej jednym z tychże czarnych klawiszy 
(czerwone cyfry). Pozwala to bądź na zliczanie impulsów w zadanym czasie, bądź na mierzeniu czasu 
wystąpienia zadanej liczby impulsów. Zwolnienie obu przycisków „N” i „T” (zapali się lampka 

∞) daje 

możliwość dowolnego zliczania przy ręcznym wyłączaniu licznika. Wciśnięcie obu klawiszy podaje na oba 
wyświetlacze impulsy zegara dla kontroli działania.  

Wewnątrz obudowy są ponadto wyłączniki pracy samopowtarzalnej i pamięci. Praca samopowtarzalna 

polega na tym, ze przy zadaniu „N” lub „T” od chwili załączenia do chwili ręcznego wyłączenia układ pracuje, 
samoczynnie powtarzając pomiar. Włączenie pamięci powoduje, iż do momentu zakończenia pomiaru na 
wyświetlaczach jest zachowany poprzedni odczyt. Istnieje możliwość przyłączenia drukarki do przelicznika dla 
rejestracji odczytów, zmieniaczy próbek i innych urządzeń usprawniających prace pomiarowe. 

f)  Sonda uniwersalna SSU 70 (licznik scyntylacyjny) sygnalizuje obecność promieniowania 

α, β lub γ generując 

impulsy elektryczne. Wartość napięciowa tych impulsów jest zależna od energii danej cząstki promieniowania, 
co jest wykorzystywane do analizy promieniowania. Sonda zawiera 3 elementy funkcjonalne: przedwzmacniacz 
impulsów zasilany niskim napięciem ze wzmacniacza WL 21, fotopowielacz wraz z dzielnikiem napięcia 
zasilany z ZWN 21 oraz scyntylator. Typ użytego scyntylatora jest dobrany do rodzaju promieniowania. Całość 
jest zamknięta w metalowej obudowie i ustawiona na statywie. Fotopowielacz pracuje przy napięciu od 600V 
do 1500V. UWAGA! – przekroczenie napięcia 1500V może spowodować uszkodzenie sondy! 

Część obudowy zawierająca fotopowielacz i scyntylator jest światłoszczelna. Przypadkowe zaświetlenie 

fotokatody przy włączonym napięciu powoduje natychmiastowe zniszczenie fotopowielacza, zatem zabronione 
jest samowolne rozkręcanie obudowy
. Sonda jest wrażliwa również na uszkodzenia mechaniczne (wstrząsy, 
drgania, uderzenia) oraz na wilgoć.