Ionizujúce žiarenie sa v styku s látkovým prostredím prejavuje rôznymi fyzikálnymi javmi, z ktorých niektoré je možné využiť na detekciu alebo aj na meranie jeho charakteristík. Základnou súčasťou každého prístroja na meranie ionizujúceho žiarenia je čidlo žiarenia–detektor.

Niektoré detektory, ako napríklad iskrová komora alebo bublinová komora, umožňujú zviditeľniť dráhu ionizujúcich častíc, a tak ich vizuálnu alebo fotografickú registráciu. Vo väčšine detektorov sa však detekcia alebo meranie základných parametrov ionizujúceho žiarenia uskutočňuje prostredníctvom elektrického signálu (pomocou odmerania tvaru a tiež aj ďalšich parametrov zosilneného impulzu z detektora). Ďalším spracovaním a vyhodnotením tohto signálu v meracej elektronickej aparatúre je možné získať informáciu o skúmanom žiarení, a to tak po kvalitatívnej ako aj po kvantitatívnej stránke. 

Na výstupe detektora (obr.e-1) sa na základe napr. ionizačných účinkov jednotlivých častíc tvorí signál, ktorý sa po náležitom spracovaní (tvarovaní, zosilnení) vyhodnocuje zariadeniami, analyzujúcimi amplitúdy impulzov (v jednoduchom prípade nášho praktika pomocou tzv. jednokanálového analyzátora s automatickým posúvaním diskriminačnej hladiny, ktorého hlavnou súčasťou je diskriminátor a počítadlo impulzov). Základným problémom je, že napríklad amplitúdu impulzu nie je možné odmerať voltmetrom alebo ampérmetrom. Bolo by to možné napríklad osciloskopicky, ale boli by problémy s jednoduchým zberom a zápisom informácie. 

V špeciálnom zariadení na meranie amplitúdy impulzov - amplitúdovom analyzátore sa registrovaným impulzom na krátky čas (potrebným na zosnímanie informácie) nabije kondenzátor na vstupe jeho amplitúdovo - číslicového prevodníka. Číslicový kód úmerný napríklad odmeranej amplitúde impulzu sa potom zapíše do pamäti a možno ho ďalej napríklad pomocou počítača vyhodnocovať. 

Lacnejším a menej dokonalým zariadením na identifikáciu amplitúdy impulzov je diskriminátor, ktorý umožňuje oddeliť menšie amplitúdy impulzov od väčšich (tzv. integrálny diskriminátor), poprípade vybrať len amplitúdy impulzov z určitého amplitúdového intervalu (diferenciálny diskriminátor). 

Ak je výstupný signál z detektora priamo úmerný energii, ktorú stratila častica alebo kvantum gama v jeho citlivom priestore, takýto detektor sa nazýva spektrometrický, napr. polovodičový detektor, ionizačná komora, scintilačný detektor a pod. Nespektormetrické detektory (napr. G-M trubica, iskrový počítač a pod.) túto vlastnosť nevykazujú. Signály z oboch typov detektorov môžu v závislosti od pracovných podmienok, a hlavne v závislosti od parametrov ich výstupných obvodov, nadobúdať povahu jednosmerného prúdu alebo mať diskrétny, impulzný charakter. 

Z parametrov signálov detektorov (prúd, náboj, početnosť impulzov, amplitúda impulzov, tvar impulzu, okamih výskytu impulzu) je možné určiť charakteristiky analyzovaného ionizujúceho žiarenia (ionizačné účinky, hustotu toku častíc, energiu a druh častíc, ich vzájomnú časovú koreláciu). 

Vlastný šum detektora je spravidla spôsobený fluktuáciami prúdu v detektore, napr. zvyškového prúdu polovodičového detektora, temného prúdu fotonásobiča a pod. Veľkosť vlastného šumu detektora , ako aj ďalší príspevok od šumu zosilňovača má vplyv na  energetické rozlíšenie spektrometra.

Medzi dôležité parametre detektora patrí aj jeho stabilita (zmena vlastností detektora vyvolaná rôznymi vonkajšími vplyvmi ako teplotou, elektromagnetickým poľom, napájacím napätím a starnutím) a veľkosť a charakter výstupného signálu(prúd, amplitúda impulzov, ich tvar - bližšie pozri D. Kollár: Základy jadrovej elektroniky 1, skríptá MFF UK, 1990). Vlastnosti výstupného signálu priamo určujú požiadavky na parametre elektronickej meracej súpravy, ktorá nadväzuje na detektor. 

Nakoľko amplitúda impulzného signálu z niektorých detektorov ionizujúceho žiarenia (polovodičový detektor, ionizačná komora) nie je dostatočná pre kvalitnú amplitúdovú analýzu, zosilňuje sa signál z detektora v predzosilňovači (ktorý sa umiestňuje v bezprostrednej blízkosti detektora) a v zosilňovači (môže byť aj v určitej vzdialenosti od detektora). 

Pomocou amplitúdového analyzátora (spektrometra) nezískame priamo energetické, ale amplitúdové (resp. prístrojové) spektrum. Energetické spektrum, t.j. závislosť početnosti impulzov od energie častíc (alebo kvánt gama) dostaneme až po prekalibrovaní spektrometra. Za predpokladu, že závislosť medzi amplitúdou impulzu z detektora a energiou registrovaných častíc je lineárna, môžeme energiu častíc určiť pomocou vzťahu 

• k je amplitúda, udávaná číslom kanála amplitúdového analyzátora, ktorá určuje polohu píku
• a a b sú konštanty prístroja. Určíme ich pomocou dvoch (alebo radšej pomocou viacerých) etalónových žiaričov. Vďaka zautomatizovaniu merania, zberu a vyhodnocovaniu informácie pomocou počítačov v súčasnosti v praktiku takmer výhradne  (úloha 15) používame viac žiaričovú metódu s následným vyhodnotením kalibrácie pomocou metódy najmenších štvorcov.

 

[Návrat]

 

 

B	Súprava  RFT 20046 a jej ovládanie.

V prvej časti úlohy (meranie so súpravou pomocou ručného ovládania) si máte možnosť overiť ako funguje jednokanálový analyzátor na báze súpravy na meranie ionizujúceho žiarenia  RFT 20046 .  Z hľadiska potrieb prvej časti tejto úlohy (pri ručnom variante ovládania aparatúry)  je potrebné (po porade s vedúcim praktika): 

• Pomocou potenciometra 6 nastaviť vhodné pracovné napätie U_vn na detektore (najčastejšie podľa doporučenia výrobcu)

• Pomocou prepinača12 nastaviť vhodné zosilnenie súpravy RFT 20046 (tak, aby impulz bol dostatočne zosilnený na to, aby bolo možné pomocou diskriminátora analyzovať jeho amplitúdu).

• Pomocou prepínačov 2 a 3 nastaviť vhodné trvanie merania t_i.

• Pomocou prepinača10 zvoliť integrálny (DIS) alebo diferenciálny režim činnosti diskriminátora (najčastejšie v našom prípade DU=0,5% z 5 V čo je 25 mV).

• Pomocou potenciometra 1 nastaviť vhodnú dolnú diskriminačnú hladinu U_dd.

• Pomocou tlačítka 17 spustiť meranie. Po uplynutí predvoleného trvania merania t_i sa na displeji 9 zobrazí výsledný registrovaný počet udalostí.

Pracovné úlohy v prvej časti ( - pri ručnom ovládaní diskriminačnej hladiny):

1. Odmerajte integrálne a diferenciálne spektrum doporučeného žiariča pri vhodnom napätí na detektore U_vn a vhodnom zosilnení na súprave RFT 20046 s ručným posuvom diskriminačnej hladiny (podľa doporučenia vedúceho praktika). Nakreslite grafy s obidvoma spektrami.
2. Experimentálne si overte, že predĺženie trvania merania alebo zopakovanie meraní zvyšuje presnosť merania, resp. zmenšuje neistotu nameraného údaja. Vykonajte preto  nasledujúce merania:
• Odmerajte počet zaregistrovaných udalostí N_v (počtu impulzov) za interval t=100s a určite neistotu výsledku  (absolútnu s_v a relatívnu s_v/N_v) a vypočítajte početnosť n_v=N_v/t ±s_v.
• Vykonajte 10 opakovaných meraní N_i o trvaní t_i=10s a a určite neistotu (absolútnu s_i a relatívnu s_i/N_i) jednotlivých meraní ako aj odhad strednej početnosti (1/s) na základe týchto opakovaných meraní.
• Vykonajte meranie pozadia (počtu impulzov N_p) za interval t_p=1000s a určite skutočný počet zaregistrovaných udalostí N=(N_v-N_p)±(N_v+N_p)^1/2 a po prepočítaní na jednotku času (1/s) aj početnosť spôsobenú žiarením zo vzorky n=N/t±(n/t )^1/2. 
• Porovnajte získané výsledky početností a vyberte najpresnejší spôsob merania s najmenšou neistotou výsledku.

Automatizovaný priebeh merania so súpravou RFT 20046.

V druhej časti úlohy si overíte ako funguje zautomatizovaný variant obsluhy súpravy RFT 20046, ktorý vám bude samočinne vykonávať meranie s posuvom diskriminačnej hladiny. Oproti ručnému spôsobu ovládania súpravy je rozdiel len v tom, že funkciu potenciometra 1 nahradí počítač. Ovládací program jednokanálového analyzátora požaduje, aby: 

• na súprave boli, podobne ako pri ručnom ovládaní, nastavené všetky potrebné parametre,
• do programu bol zadaný počet meraní (alebo dolná U_dd a horná U_dh diskriminačná hladina, z čoho si na základe známeho kroku (DU=0,5% z 5 V, čo je 25 mV), už počítač určí potrebný počet meraní, resp. potrebný počet posuvov diskriminačnej hladiny).

Pracovné úlohy v druhej časti ( - pri automatizovanom posuve diskriminačnej hladiny):

1. Pomocou voľby 1 programu úlohy 5 odmerajte integrálne a diferenciálne spektrum doporučeného žiariča pri nastavenej dolnej diskriminačnej hladine U_dd = 0,2 V (aby prípadné šumy v dôsledku automatického nastavovania mierky v zobrazení nezmenšovali zbytočne obrázok), pri vhodnom napätí na detektore U_vn a vhodnom zosilnení na súprave RFT 20046. (Podľa možnosti použite rovnaké napätie na detektore U_vn a rovnaké zosilnenie na súprave RFT 20046 ako pri predošlom meraní s ručným ovládaním diskriminačnej hladiny). Vytlačte spoločný graf s obidvoma spektrami.

 
2. Pomocou voľby 1 programu úlohy 15 odmerajte diferenciálne spektrum žiariča z predchádzajúcej úlohy pri rovnakom napätí U_vn a zosilnení súpravy. Rozsah kanálov diskriminačnej hladiny si zvolte na základe predošlého merania. Pomocou voľby 2 programu úlohy 15 zobrazte nameraný fotopik a pomocou voľby 3 programu úlohy 15 tento pík ofitujte (nájdite polohu stredu píku).

 
3. Kvôli precvičeniu fitovania zistite ako sa mení poloha stredu píku T₀ od veľkosti zosilnenia - zos. Meranie vykonajte pre 3 veľkosti zosilnenia pomocou voľby 3 programu úlohy 3 s použitím žiariča z predchádzajúcej úlohy pri rovnakom napätí U_vn

 
4. Pomocou voľby 4 programu úlohy 3 odmerajte histogram štatistiky registrácie udalostí s použitím žiariča z predchádzajúcej úlohy pri vhodnom napätí U_vn a zosilnení súpravy tak, aby počet registrovaných udalostí za sekundu nepresiahol 100. Na záver merania vytlačte dáta z merania posledných 100 udalostí a výpočtom sa presvedčte, či dostanete podobné parametre Gaussovho rozdelenia udalostí ako vytlačil počítač.

Niekoľko rád pred začatím merania automatizovaným spôsobom:

Skôr ako pristúpite k meraniu doporučoval by som Vám prečítať si návod k pužívaniu (Help) programov k úlohe praktika buď z papierového návodu alebo priamo z Helpu k príslušnému programu: 

• Voľbu 1 (Štart programu) z ponuky programu k úlohe 15.
• Voľbu 2 (Zobrazenie spektra) z ponuky programu k úlohe 15.
• Voľbu 3 (Fitovanie píku) z ponuky programu k úlohe 15.
• Voľbu 1 (meranie dvojice spektier) z ponuky programu k úlohe 5.
• Voľbu 3 (Overenie závislosti T₀ = f (Zos) z ponuky programu k úlohe 3.
• Voľbu 4  (Overenie štatistiky registrácie) z ponuky programu k úlohe 3. K tejto časti úlohy by bolo tiež vhodné prečítať si prílohu č.1. (Chyby merania pri registácii jadrového žiarenia) zo slrípt M. Florek a kol. Fyzikálne praktikum 4, Vydavateľstvo RUK 1988, Bratislava.

 
 
 
 
 
 
 
 

B1.	Poznámky k pracovným úlohám z druhej časti

Ďalej nasledujúce dobré rady a poznámky k experimentom v jednotlivých pracovných úlohách sú myslené tak, aby vám pomohli sa oboznámiť s "fintami" spojenými s meraním na jednokanálovom analyzátore, potrebnými v jednotlivých úlohách. 
 
 

Obr.3-2. umožňuje porovnať diferenciálne a integrálne spektrum. (Na osi y Impulsdichte reprezentuje početnosť v kanáli za minútu merania. Pegel na osi x je označenie pre diskriminačnú hladinu). Za povšimutie stojí porovnať polohu fotopíku diferencialneho priebehu a inflexný bod v závere integrálnej krivky. (Takýto obrázok dvojice spektier možno odmerať pomocou ponuky z úlohy 5 -meranie dvojice spektier.)

 

K úlohe 1:
	Na meranie a vykreslenie dvoch spektier (vlastne spektra od rovnakého žiariča odmeraného integrálnym a diferenciálnym spôsobom) do jedného obrázku použite voľbu 1  programu k úlohe 5 (porovnávacie meranie 2 spektier).  Skôr ako začnete merať by ste si však mali prečítať Help k voľbe 1 úlohy 15 o tom ako sa obsluhuje súprava RFT 20046, aké parametre si vyžaduje nastaviť a ako spustiť meranie a tiež si prečítať Help k voľbe 2 úlohy 15 o tom ako sa zobrazuje namerané spektrum. (Doporučoval by som Vám tiež cvične si oskúšať spustenie merania a zobrazenie výsledkov merania, pretože tento podprogram v zjednodušenom variante sa vyskytuje aj v programe pre úlohu 5.)  Doporučoval by som pri meraní 2 spektier začať merať od 8 - 10 kanála (teda od diskriminačnej hladiny 0,2 V - 0,25 V), aby vám šumy v dolných kanáloch spektra pri zobrazení neovplyvnili mierku zobrazenia na osi y, ktorá sa automaticky koriguje podľa maximálnej hodnoty početnosti v kanále,. odmeranej počas merania. (Táto ponuka programu bohužiaľ neumožňuje si voliť oblasť pre zobrazenie tak, ako je to v základnej ponuke programu pre úlohu 15).  Ak ste si ponechali počas oboch meraní rovnaké napätie Uvn na detektore, rovnaké zosilnenie na súprave RFT 20046, rovnakú šírku kanála D U = 25 mV, rovnaký rozsah merania amplitúdy (nastavenie dolnej Udd a hornej Udh diskriminačnej hladiny) a rovnaký čas jedného merania tak sa Vám najprv odmeria a zobrazí každé spektrum a potom do jedného obrázku aj spoločne integrálne a diferenciálne spektrum, podobne ako na obrázku 3-2. Nesmiete však zabudnúť nastaviť správnu voľbu prepínača označeného na obrázku 15-1 ako prepinač 10 (pri meraní integrálneho spektra v polohe DIS a pri meraní diferenciálneho spektra v polohe 0,5%).
K úlohe 2:
	Na základe výsledkov merania z úlohy 1 (viete už v akom rozsahu kanálov sa nachádza fotopík) skúste znova pomocou voľby 1 programu k úlohe 15 odmerať diferenciálne spektrum v oblasti, kde sa nachádza fotopík.  Potom pomocou voľby 2 programu k úlohe 15 skúste vhodnejšie zobraziť oblasť piku spektra od žiariča, ktorý ste použili v predošlej úlohe. (Povšimnite si že oblasť merania a oblasť zobrazovania kanálov môže byť odlišná. Tiež si všimnite, že meranie spektra pri menšom počte meraných kanálov prebieha rýchlejšie.)  Na záver tejto úlohy pomocou voľby 3 programu k úlohe 15 skúste určiť polohu stredu piku (zadať vhodné hranice pre fitovanie, na základe ktorých program určí polohu piku T0 ±sT0 , ako aj plochu pod píkom P ±sP ).
K úlohe 3:
	S cieľom precvičiť si fitovanie použite voľbu 3 z programu úlohy 3 (overenie polohy stredu píku T0 od zosilnenia, resp. pre spestrenie iná skupina voľbu 2 z programu úlohy 3 - overenie polohy stredu piku T0 od napájacieho napätia Uvn detektora.). Postupne (napríklad 3 krát pri rôznych zosilneniach alebo pri 3 rôznych napätiach Uvn) odmerajte diferenciálne spektrum s píkom, pomocou ofitovania určite polohu maxima T0. Program Vám potom z dvojíc hodnôt (T0, Zos) zostrojí graf závislosti T0=f(Zos) alebo poprípade z dvojíc hodnôt (T0, Uvn) zostrojí graf závislosti T0 =f (Uvn) - ako nácvik pre rôzne ďalšie kalibrácie v iných úlohách praktika.
K úlohe 4:
	Cieľom poslednej úlohy je presvedčiť sa, že v atómovej a jadrovej fyzike (napríklad pri registrácii toku gama častíc pomocou scintilačného detektora za určité časové intervaly) sa okrem bežných štatistických chýb merania prejavuje predovšetkým náhodnosť javov, ktorú veľmi vhodne popisuje tzv. Poissonove rozdelenie, ktorého základné charakterizujúce veličiny sú: stredná hodnota T0 a stredná kvadratická odchýlka s = (T0)0.5 , poprípade že pre stredný počet za časový interval registrovaných udalostí väčší ako 10 až 15 je na aproximáciu tohto rozdelenia vhodné použiť normálne (Gaussovské) rozdelenie.  Skôr ako pristúpite k tomuto počítačom ovládanému meraniu skúste si nastaviť také vhodné parametre (Udd, Uvn a zosilnenie) tak, aby ste napríklad za 4 sekundy registrovali ololo N4 =100 udalostí. Potom vykonajte jedno dlhodobejšie meranie N400, napríklad za 400 sekúnd. Možno si v tejto súvislosti položíte otázku, prečo tak dlho merať, keď výsledok je stále rovnaký (početnosť n = N/t okolo 25 udalostí za sekundu). Po preštudovaní prílohy č.1. (Chyby merania pri registrácii jadrového žiarenia) zo slrípt M. Florek a kol. Fyzikálne praktikum 4, Vydavateľstvo RUK 1988, Bratislava) predpokladám, že už budete vedieť, že predĺžením merania zvyšujete hodnovernosť nameranej hodnoty (namiesto n4 = N4/t = (25 ±  2,5)/s bude n400 = N400/t = (25 ±  0,25)/s).  Teraz keď už viete, aká bude stredný očakávaný počet udalostí, registrovaný za 4 sekundový interval môžte použiť ponuku 4 z úlohy 3 a odmerať histogram rozdelenia výskytu udalostí pri opakovanom, napríklad 100 násobnom, meraní výskytu počtu udalostí v danom 4 sekundovom intervale. Odporúčam Vám vytlačiť histogram s tabuľkou prvých 100 registrovaných udalostí, aby ste si sami mohli ručne zostrojiť podobný histogram a tak prekontrolovať počítač. Potom Vám zase doporučujem niekoľkokrát za sebou opakovať popísané meranie a porovnávať ako sa upresňuje poloha stredu píku T0 a s napríklad po 400 s a po 800 s so zvyšujúcim sa počtom registrovaných udalostí.

Obr. 3-3. Porovnanie Poissonovho rozdelenia pre strednú hodnotu N=3 a N=10.

[Návrat]