Versuch FP I-8. Messung des Wirkungsquerschnittes der Compton-Streuung

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1 Versuch FP I-8 Messung des Wirkungsquerschnittes der Compton-Streuung Zielsetzung Dieser Versuch soll einerseits mit der Technik des Streuexperiments, dem Umgang mit γ-strahlen, sowie mit deren Nachweis vertraut machen. Andererseits sollen anhand der Messergebnisse zu Kinematik und differenziellem Wirkungsquerschnitt des Compton-Effekts die zur Erklärung notwendigen physikalischen Vorstellungen vertieft werden. Das Ziel des Experiments ist, den differenziellen Wirkungsquerschnitt der Compton-Streuung für verschiedene Streuwinkel auf ca. 10 % genau zu messen. 1

2 1 Vorkenntnisse Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie Begriff des differenziellen Wirkungsquerschnittes Thomson-Streuung Kinematik der Compton-Streuung Klein-Nishina-Formel Zählerstatistik und Fehlerrechnung Methode der kleinsten Quadrate Szintillations-Detektorsysteme Eigenschaften und Benutzung eines NaJ-Zählers Photomultiplier Biologische Wirkung von γ-strahlen zulässige Dosen Vorsichtsmaßnahmen (Abschirmung, Abstand) 2 Literatur A. C. Melissinos, Experiments in Modern Physics R. D. Evans, The Atomic Nucleons P. Marmier, Kernphysik I P. Marmier + E. Sheldon, Physics of Nuclei and Particles G. G. Eichholz + J. W. Poston, Principles of Nuclear Radiation Detection J. D. Bjorken + S. D. Drell, Relativistische Quantenmechanik D. C. Allkofer, Teilchendetektoren H. Enge, Introduction to Nuclear Physics 2

3 3 Vorbereitungen Folgende Berechnungen und Überlegungen sollen vor der Versuchsdurchführung vorgenommen werden: 1. Erstellen einer Tabelle, die die Energie des gestreuten Photons und den berechneten differenziellen Wirkungsquerschnitt für die Streuwinkel von 20 bis 90 Grad (in 10 Grad Schritten) enthält. Daten über die Quelle und den experimentellen Aufbau finden Sie im Anhang. 2. Mit Hilfe dieser Tabelle soll die zu erwartende Zählrate in Abhängigkeit vom Streuwinkel abgeschätzt werden. Dabei sind folgende Punkte zu beachten: (a) Das 137 Cs-Präparat besaß am eine Aktivität von 30 mci (1 Ci = Bq). (b) Der experimentelle Aufbau ist im Anhang skizziert, der Abstand Target - NaJ-Zähler kann von Ihnen gewählt werden. (Großer Abstand für eine bessere Winkeldefinition und eine genauer definierte Nachweiswahrscheinlichkeit des NaJ-Zählers, wegen geringerer Winkeldivergenz; kleiner Abstand für eine kurze Meßdauer, um den Wirkungsquerschnitt mit einem statistischen Fehler kleiner 10% zu messen.) Als Target stehen mehrere 1 cm dicke Aluminiumplatten zur Verfügung. Überlegen Sie, welche Targetdicke Sie wählen wollen. (c) Die Nachweiswahrscheinlichkeit des NaJ-Zählers kann aus dem Diagramm im Anhang extrahiert werden. Wie künnen Sie die Nachweiswahrscheinlichkeit des NaJ-Zählers mit Hilfe der Eichpräparate messen? 4 Messprogramm 1. Eichen des Vielkanalanalysators mit Hilfe der bekannten Photoenergien der Eichpräparate. Die Eichpräparate sollen nicht direkt vor den Zähler gelegt werden, da Geometrieeffekte im Szintillator die Messaußösung verschlechtern. 2. Messung der Absorptionskoeffizienten von Aluminium und Blei, sowie der Intensität des Primärstrahls. Bevor der Zähler auf 0 Grad gesetzt wird, muss eine Bleiplatte (mindestens 2.5 cm) vor den Kollimator gestellt werden. Der NaJ- Zähler darf auf keinen Fall in den direkten Strahl der 137 Cs-Quelle geschoben werden. Der Szintillator würde dabei so stark angeregt, dass er mehrere Stunden einen großen Untergrund liefern würde. Die Durchführung des Versuchs würde dadurch unmöglich werden. Die 30 mci starke 137 Cs-Quelle wird nur vom Assistenten ein- und ausgebaut. Während die Quelle eingebaut ist, muss das Experiment ständig beaufsichtigt werden. 3

4 3. Messung der Kinematik des Compton-Effekts und des differenziellen Wirkungsquerschnittes für Streuwinkel von Grad (in 10 Grad Schritten). Dazu wird ein plattenförmiges Al-Target verwendet. Der Abstand Target - Zähler sollte ca. 20 cm betragen. Denken Sie daran, dass zu jeder Winkeleinstellung eine Untergrundmessung nötig ist. (Die originalen Messaufzeichnungen gehören in das Protokoll!!!) 5 Auswertung 1. Bestimmung der Elektronenmasse. Überlegen Sie, wie Sie dies am besten durchführen. Warum ist es sinnvoll, die Elektronenmasse zu bestimmen? 2. Berechnung des differenziellen Wirkungsquerschnittes aus den gemessenen Daten unter Berücksichtigung aller Korrekturen (Absorption von primären und gestreuten Photonen, Targetlängenänderung mit dem Streuwinkel, Untergrundrate, Ansprechwahrscheinlichkeit des NaJ-Zählers). 3. Vergleich mit den theoretisch erwarteten Werten und Diskussion der Ergebnisse. 4

5 A Versuchsaufbau Figure 1: Skizze des Versuchsaufbaus Der Durchmesser des Kollimatorausgangs beträgt 1 ± 0, 1 cm, der Durchmesser des NaJ-Zählers beträgt 5, 1 ± 0, 1 cm. Der Abstand Quelle - Kollimatorausgang (b), Kollimatorausgang Target (c) und Target Szintillator (a) sind des Versuchs zu bestimmen und wichtig für die Berechnung des effektiven Raumwinkels. Der NaJ-Zähler wird mit einer Spannung von ca. 550 V versorgt und übergibt die Ausgangssignale über einen Vorverstärker und einen ADC an ein Messprogramm, das die Messwerte in ein Histogramm einträgt. Das Messprogramm läuft auf einem PC unter WINDOWS 95. Alle gemessenen Spektren werden während des Versuchs erstmal auf die Festplatte des PC s geschrieben. Sie können zur späteren Auswertung auf einer selbst mitzubringenden 3,5 - Diskette mitgenommen werden. 5

6 B Effizienz eines NaJ-Szintillators Figure 2: Effizienz eines Szintillators (NaJ) in Abhängigkeit der Energie der zu detektierenden Photonen 6

7 C Präparatsübersicht Activity reference time Activity Activity Accuracy Half Life Energies [µci] [kbq] [%] [kev] [%] 241 Am y < Ba y Cs y Co y Y y Na y Mn d Hg d Co d Table 1: Übersicht über Aktivitäten und Energiespektrem verschiedener Präparate 7