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DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA EFICIENCIA Y DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE PLATEAU DEL ESCALÍMETRO DE CONTAJE
 

DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA EFICIENCIA Y DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE PLATEAU DEL ESCALÍMETRO DE CONTAJE

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DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA EFICIENCIA Y DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE PLATEAU DEL ESCALÍMETRO DE CONTAJE EL CUAL POSEE UN DETECTOR TIPO GEIGER-MÜLLER. ...

DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA EFICIENCIA Y DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE PLATEAU DEL ESCALÍMETRO DE CONTAJE EL CUAL POSEE UN DETECTOR TIPO GEIGER-MÜLLER.

MAS INFORMACION A ripes_20@hotmail.com

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    DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA EFICIENCIA Y DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE PLATEAU DEL ESCALÍMETRO DE CONTAJE DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA EFICIENCIA Y DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE PLATEAU DEL ESCALÍMETRO DE CONTAJE Document Transcript

    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEARUNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA “INFORME DE LABORATORIO Nº 01” CURSO : Física Nuclear INVESTIGADOR: LIC. FIS. Palma Esparza Ricardo. LA FISICA ES UNA CIENCIA MUY INTERESANTE, ELEGANTE Y DEMOSTRATIVA DONDE LA INFORMACION Y EL CONOCIMIENTOTIENEN QUE SER COMPARTIDOS NO DEBE QUEDARSE ESCONDIDO DEBESER PUBLICADO Y MEJORADO POR JOVENES MENTES BRILLANTES QUE PUEDEN MEJORAR SIEMPRE ESTOS EXPERIMENTOS CON EL ANIMO SIEMPRE DE AYUDAR……..R. PALMA. 1
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR I) TÍTULO: DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA EFICIENCIA Y DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE PLATEAU DEL ESCALÍMETRO DE CONTAJE EL CUAL POSEE UN DETECTOR TIPO GEIGER-MÜLLER. II) OBJETIVOS: • Se determinará experimentalmente la curva característica del detector Geiger- Müller (Curva De Plateau); y se obtendrá el voltaje de trabajo óptimo del escalímetro de contaje. • Se obtendrá el valor experimental de la eficiencia del escalímetro de contaje. III) FUNDAMENTO TEÓRICO: La radiación ionizante está en todas partes. Llega desde el espacio exterior en forma derayos cósmicos. Aunque los seres humanos expuestos a dosis pequeñas de radiación puedenno presentar de inmediato ningún efecto biológico aparente, no hay duda de que laradiación ionizante, cuando se administra en cantidades suficientes, puede causar daños.Una radiación se entiende como ionizante cuando su nivel de energía es suficiente paraarrancar electrones de la corteza de los átomos con lo que interacciona, produciendo unaionización de los mismos. Por ello se deben respetar y mantener las normas de radioprotección brindada por el profesor entre ellas cabe destacar: El tiempo de exposición,distancia hacia la fuente y el blindaje.La radiación gamma o rayos gamma (γ): Son un tipo de radiación electromagnética, ypor tanto está formada por fotones, se produce generalmente por elementos radioactivos oprocesos subatómicos como la aniquilación de un par de positrón-electrón. Debido a lasaltas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizantecapaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta.Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que sonusados para esterilizar equipos médicos y alimentos.Detector radiación ionizante tipo Geiger-Müller: Este contador es un detector del tipogaseoso, comúnmente está compuesto de Ioduro de Sodio, estos detectores constan de ungas encerrado en un recipiente de paredes tan delgadas como sea posible para no interferircon la radiación que llega. Estos trabajan a diferencias de potencial muy altas de hasta 2
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR900V, pero esto puede variar según el diseño de cada detector . Lo que hace que laionización secundaria sea tan grande que prácticamente todo el gas del tubo quedaionizado, siendo la carga colectada independiente de la ionización inicial.Estos detectores no exigen un circuito tan elaborado, son más simples y pueden adosarse aindicadores sonoros exteriores que los hacen útiles para detectar pérdidas de agujasradioactivas, fugas de radiaciones o materiales contaminados, miden bajos niveles deradiación beta y gamma.El detector Geiger Müller sólo indica el número de fotones que llegan a élindependientemente de la energía que estos ceden al medio.Esquema de un detector radiación ionizante tipo Geiger-Müller: Los iones positivos ynegativos (electrones), producidos por la radiación dentro del gas, se recogen directamenteen un par de electrodos a los que se aplica un alto voltaje.La geometría más usada para contadores gaseosos es de un cilindro metálico con unalambre central. Se aplica un alto voltaje positivo al alambre, convirtiéndose éste en ánodoy el cilindro en cátodo. Entonces los electrones se dirigen al alambre y los iones positivos alcilindro. La velocidad de los electrones es mayor que la de los iones. FIG. 01 La corriente eléctrica así inducida, en general es en forma de pulsos de corta duración; estos pulsos son contados directamente, o activan un medidor de corriente, o pueden ser conectados a una bocina. Esta medida de ionización puede transformarse directamente a unidades de exposición (Roentgens).Funcionamiento de un detector gaseoso: Los iones y electrones producidos en el gas porla radiación son colectados en el ánodo y el cátodo. FIG. 02 3
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAREn un detector gaseoso puede usarse cualquier gas (incluso aire). Normalmente se usa unamezcla de un gas inerte (Argón) con un gas orgánico; el primero ayuda a impedir ladegradación y el segundo cede fácilmente electrones para recuperar las condicionesiniciales después de una descarga. Cada gas tiene diferente potencial de ionización (energíanecesaria para producir una ionización); para las mezclas más comunes éste es de alrededorde 34 eV.Cuando una radiación produce un cierto número de pares de iones, éstos se dirigen a loselectrodos correspondientes gracias a la aplicación de un alto voltaje. Sin el alto voltajeapropiado, el detector no funciona o puede dar lecturas erróneas. En su trayecto hacia loselectrodos, los iones y electrones son acelerados por el campo eléctrico, y pueden a su vezproducir nuevas ionizaciones, o bien pueden recombinarse (neutralizarse). La magnitud deestos efectos depende del tipo de gas, del voltaje aplicado y del tamaño del detector.Curva característica de un detector de ionización : Si un detector de ionización gaseosaestuviese sometido a un campo de radiación constante que produjese eventos en el detector,entonces la cantidad total de carga recogida en los electrodos del detector sería función dela tensión aplicada a los mismos. En función del potencial aplicado a los electrodos, lascámaras de ionización pueden funcionar según varios mecanismos perfectamentediferenciados. GRAF. Nº 01: Grafica teórica que muestra la curva característica de un detector de gas tipo Geiger-Müller. Delimitando distintas zonas o regiones al aumentar el voltaje.DESCRIPCION DE LA GRAF. Nº 01:• ZONA I: Región Inicial: Donde la tensión aplicada es baja, el número de impulsos registrados es pequeño debido a la competencia entre los efectos de ionización y 4
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR recombinación. Si la tensión aumenta, el tiempo de recombinación disminuye y por lo tanto el número de iones recolectados es mayor.• ZONA II: Región De Ionización: El número de iones que llegan al ánodo como consecuencia de la ionización es la totalidad de los generados por la radiación ionizante (los iones Primarios). En el detector se podrá determinar el número de partículas recogidas de la especie determinada, siendo los efectos de ionización de cada especie diferentes, estos sistemas serán capaces de diferenciar el tipo de radiación incidente. (a,b) en el plano.Suponer una partícula a con energía 3,5 MeV. Si se necesitan 35 eV para producir un par deiones en el gas de llenado, el número total de pares de iones formados se eleva a 10 5, con untotal de carga recogida de 105*1,6·10-19 C.• ZONA III: Región proporcional: En esta zona, se producen fenómenos de Ionización secundaria, para puntos cercanos al ánodo. Al ser el campo muy intenso, se producen colisiones de los e- (primarios) acelerados en el gas, produciendo nuevos pares de iones. En un proceso de multiplicación, que depende de la tensión aplicada, desde 1 hasta 107.• ZONA IV: Región del límite proporcional: La Carga recogida es independiente de la Ionización Primaria. Para valores de multiplicación muy altos, al cruzar el contador una partícula fuertemente ionizante, la intensa avalancha que resulta crea una carga espacial en las proximidades del hilo central que tiende a disminuir localmente el campo eléctrico y dificulta el proceso multiplicativo. Esta región es la zona de proporcionalidad limitada.• ZONA V: Geiger-müller: En estos detectores aparece un fenómeno que no tenía lugar en los contadores proporcionales y que consiste en la propagación de la descarga a lo largo de todo el hilo central. Este fenómeno llamado Avalanchas de Townsend, viene producida por la "gran cantidad de fotones ultravioleta que se generan en la primera avalancha", los cuales dan lugar al desprendimiento en las proximidades inmediatas, de algún fotoelectrón que originará una nueva avalancha. La propagación de las avalanchas se lleva a cabo por medio de la emisión y absorción de fotones ultravioleta, con velocidad de 107 cm/s.Una vez completada la descarga los e- son rápidamente absorbidos en el ánodo, quedandolos iones Ar+ cerca del ánodo, disminuyendo el campo eléctrico en su proximidad, con loque el proceso multiplicativo no puede tener lugar hasta que los iones no se hayan alejadosuficientemente. FIG.03: Proceso De Avalanchas Townsend 5
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR• ZONA VI: Región De La Descarga Continua.• ZONA VI. REGIÓN DE LA DESCARGA CONTINUA.El campo eléctrico es tan elevado que no es necesaria ninguna ionización primaria parainiciar la descarga. No hay detector de ionización que trabaje en esta zona, pero existe labomba de Iones cuyo funcionamiento es extraer las moléculas del gas, al ionizar y recogerlos iones, consiguiendo vacíos de hasta 10-11 atmósferas.El funcionamiento del mismo es el siguiente:  La radiación entrante en el detector ioniza el gas que existe en el interior, produciendo pares electrón-ión. Este electrón puede excitar a su vez a otras moléculas del gas, chocando con ellas.  La des excitación (vuelta al nivel fundamental) de estas moléculas produce fotones (visibles o ultravioletas) que son capaces de arrancar, mediante efecto fotoeléctrico, nuevos electrones en otras moléculas del gas. Así se produce un efecto de reacción en cadena, en la que la primera avalancha genera nuevas avalanchas en otras posiciones del tubo.  La descarga finaliza cuando la concentración de cargas positivas alrededor del ánodo anula el campo eléctrico. Una vez que esto ha ocurrido, la nube de cargas positivas migra hacia el cátodo induciendo una variación del voltaje, lo que da lugar a la señal que se registra en un contador.La fácil construcción y bajo coste lo convierten en un detector muy utilizado aunque tengauna serie de desventajas, como por ejemplo un tiempo muerto (período entre un pulsoinicial y el momento en que una nueva descarga comienza a producirse) bastante elevado(se pierde precisión a contajes altos) y una vida útil corta en algunos casos.Radiación de fondo natural: Es toda la radiación que proviene de la tierra, aire y delespacio por lo que su contribución aparecerá en todo lugar donde se mida radiación.La eficiencia del detector: Para calcular la eficiencia del detector utilizaremos la ecuación: δTotal = Nº de cuentas que detecta el contador/Actividad teórica IV) MATERIALES:  Escalímetro de contaje.  Cronómetro.  Regla graduada.  Desarmador tipo estrella. 6
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR  Utilización del software estadístico SPSS (V-19).REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LOS MATERIALES UTILIZADOS: Desarmador tipo estrella Escalímetro de contaje. Cronómetro Fuente radiactiva de Cobalto 60 digital Regla graduada 7
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR V) PROCEDIMIENTO:La motivación experimental que obliga a la caracterización de esta curva es la de encontrarel punto de trabajo razonable, adecuado para nuestro detector tipo Geyger, aquel en el quela respuesta no depende del voltaje aplicado. Éste se encuentra en la zona plana de la curvaobtenida (zona Geiger−Müller); que en la Graf. 01 teórica es la zona 5. Una vezencontrado, será el voltaje al que mantendremos el detector durante la realización de futurasprácticas.Paso Nº 01: Con los materiales antes mencionados se procederá a realizar el siguienteesquema experimental: Escalímetro de Fuente radiactiva contaje De Co-60 d=20cm • Procuramos que la cápsula que contiene el gas del detector Geiger estuviera paralela a la fuente de radiación ionizante de Co-60 a una distancia de d = 20 cm. • Se irán realizando medidas de cuentas o impulsos a tensiones crecientes, tantas como sea necesario para delimitar la zona de Plateau, es decir, aquella zona en la que distintos niveles de tensión dan un número de cuentas iguales o ligeramente crecientes. • Las mediciones se realizarán en intervalos de tiempo de 1/2 minuto. Cada medición se hará aumentando la unidad de escala del potenciómetro de 50V en 50V tomándose 10 datos en cada tensión escogida.Experimentalmente tendremos: d = 20 cm 8
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR • Como medida de seguridad para proteger el equipo no excederemos el voltaje aplicado a más de 800 voltios. Se anotarán todos los resultados de las experiencias obtenidas Tabla Nº 01. VI) TOMA DE DATOS:Se anotarán todos los resultados de las experiencias obtenidas Tabla Nº 01.Tiempo: T= 30s ± 0.01s Tabla Nº01: Nº de Tensión (V) Nº de cuentas/30seg Promedio de mediciones ± 1V a 20cm. cuentas 0 1 0-200 0 299 2 250 248 3 297 4 263 5 300 6 269 7 245 8 250 9 246 10 229 264.6 11 323 12 300 310 13 305 14 308 15 326 16 9
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR 317 17 307 18 314 19 323 20 320 315.3 21 345 22 350 361 23 359 24 365 25 347 26 350 27 390 28 348 29 390 30 375 363 31 414 32 400 400 33 402 34 367 35 378 36 390 37 421 38 385 39 423 40 10
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR 406 398.6 41 400 42 450 419 43 398 44 386 45 450 46 462 47 346 48 336 49 416 50 391 404.6 51 452 52 500 453 53 313 54 376 55 428 56 429 57 436 58 450 59 464 60 470 427.1 61 440 62 550 445 63 417 64 11
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR 468 65 399 66 425 67 418 68 472 69 400 70 408 429.2 71 894 72 600 972 73 942 74 885 75 990 76 900 77 967 78 951 79 973 80 965 943.9 81 1000 82 650 984 83 1032 84 1045 85 1070 86 999 87 1009 88 12
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR 1060 89 1058 90 1079 1033.6 91 1115 92 700 1158 93 1236 94 1276 95 1195 96 1140 97 1260 98 1209 99 1193 100 1099 1188.1 101 1346 102 750 1379 103 1340 104 1362 105 1400 106 1479 107 1382 108 1463 109 1498 110 1379 1402.8 111 13
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR VII) CÁLCULO DEL ERROR:Con las mediciones hechas y con el voltaje fijado podemos obtener un valor promedio: 10 x1 + x2 + ... + xn ∑ i x x= = n =1 n 10Por lo tanto obtendremos un error posible entre: X max. − X min ∆X = 2Nuestra tabla de valores final tendrá una forma: MEDIDAS X = X ± ∆ XTabla Nº 02: Tabla que muestra los valores obtenidos para el cálculo de error: Nº de medidas Tensión(v) ± 1V x ∆x 1 0-200 0 0 2 250 264.6 35.5 1 300 315.3 9 2 350 363.0 22.5 3 400 398.6 10.5 4 450 404.6 63 5 500 427.1 78.5 6 550 429.2 36.5 7 600 900.9 48 8 650 1033.6 47.5 9 700 1188.1 88.5 10 750 1402.8 79 14
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR VIII) ANÁLISIS Y RESULTADOS:Con los datos obtenidos en la tabla Nº 02, se pudo encontrar la curva de Plateau con unafuente de radiación ionizante de Co-60. CURVA CARÁCTERISTICA DEL CONTADOR GEIGER-MÜLLER. TENSIÓN (V)Calculando el voltaje de trabajo:En primer lugar graficamos los puntos más representativos de la Tabla Nº02 obteniendo: 15
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEARNos damos cuenta nos damos cuenta que conforme aumentamos el voltaje la curva tiende ajuntarse en el eje entre los 250V y 550V. Las líneas casi se superponen entre ellasdelimitándonos la zona de Plateau, es decir, aquella zona en la que distintos niveles detensión dan un número de cuentas iguales o ligeramente crecientes.Entonces el voltaje de operación será: 1 VTrabajo = Vinicial + 3 ( V final − Vinicial )Por lo tanto: 1 VTrabajo = 250 + ( 550 − 250 ) = 350V 3Entonces obtendremos un voltaje de trabajo: VTRABAJO = 350V ± 1V.Calculando la Eficiencia:Luego matemáticamente con los datos obtenidos obtendremos el valor de la eficiencia deldetector. δTotal = Nº de cuentas que detecta el contador/Actividad teóricaEsta eficiencia va a depender de factores experimentales del dispositivo, ya seangeométricos, relacionados con la fuente o con el detector.Debido a los cursos llevados anteriormente de Física Médica II podemos evaluar fácilmentela actividad teórica de la fuente: Donde: A = Actividad De Una Fuente. ln 2 A0 = Actividad inicial de una Fuente. − .t λt .tA= A e 16 0 =A e 0 T1/2 ...(*)
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR λt = Tiempo de vida media. T1/2 = Periodo de semidesintegración. t = tiempo de la fuente.Entonces suponemos debido a no tener el dato de la fecha exacta de la llegada de lasfuentes supondremos que llegaron el 01 ENE 1987 a la fecha 01 SEP 2011.Calculamos así el valor de “t”: 01 SEP 2011- 01 ENE 1987 00dias 08meses 24 años 1año 208meses x = años = 0.67 años 12meses 3Por lo tantot = 0.67 años+24añost = 24.67 añosPeriodo de semidesintegración del Co-60 es conocido: T1/2 = 5.27añosY cuya actividad inicial es A0 = 10 Curie y reemplazamos todos los datos en la ecuación(*). 0,693 − .24,67 A = 10 e 5,27 ⇒ A = 10 e − 3.245 A = 0.39CuriePor lo tanto: Nº de cuentas que detecta el contador δ Total = Actividad teóricaCuyos datos representaré en la Tabla Nº03.Tabla Nº 03: Tabla que muestra los valores obtenidos para el cálculo de la eficiencia δ delde detector Geiger Miuller. Cuentas/30seg Actividad teórica Eficiencia δ A= 0.39 0 0 264.6 A= 0.39 678.5 315.3 A= 0.39 808.5 363.0 A= 0.39 930.8 398.6 A= 0.39 1022.1 404.6 A= 0.39 1037.4 17
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR 427.1 A= 0.39 1095.1 429.2 A= 0.39 1100.5 900.9 A= 0.39 2310 1033.6 A= 0.39 2650.3 1188.1 A= 0.39 3046.4 1402.8 A= 0.39 3596.9 − δ = 1661.5Tendremos por eficiencia δ= 1661.5 en porcentajes: 1661.5 100% 10 x%El valor 10 es el numero de cuentas tomadas por cada voltaje entonces representa unaeficiencia muy pequeña de δ= 0.6%. Debido tal vez en algún error de aproximación oalgún defecto en el escalímetro de contaje. IX) CONCLUSIONES: • Se logro determinar experimentalmente la curva característica del detector Geiger-Müller (Curva De Plateau); y se obtuvo el voltaje de trabajo óptimo del escalímetro de contaje de 350V ± 1V. • Se obtuvo el valor experimental de la eficiencia del escalímetro de contaje, que es de δ= 0.6%. X) SUGERENCIAS:  Se debe conectar el equipo “escalímetro de contaje” a la fuente de 220v y dejarlo calentar alrededor de 10 a 15 minutos para que éste caliente ligeramente y obtengamos un valor más cercano al real.  Se puede mejorar la aproximación del voltaje de trabajo de la curva de Plateau mediante la utilización de un dispositivo para regular exactamente el voltaje evitando así errores de escala. 18
    • “UNPRG - FACFyM” FÍSICA NUCLEAR  Evitar excederse en los voltajes elevados del escalímetro de contaje que a voltajes muy altos podría dañarse.  Se podría tomar en cuenta la radiación de fondo natural pero no se tomo en cuenta debido a que la consideré una constante natural en todas las prácticas que en futuro realizaré y los datos tomados únicamente serian la suma del valor de dicha constante a los datos antes obtenidos. XI) BIBLIOGRAFÍA:• PRÁCTICAS DE FÍSICA NUCLEAR II Oscar Cabellos de Francisco- José Sánchez Mariano.• J.J. Saborido, Apuntes de Física Nuclear y de Partículas, Temas 1 (Fenómenos radiactivos) y 3 (Inestabilidad nuclear), Santiago de Compostela, 2003. (Pág. 10-17).• http://nuclear.fis.ucm.es/webgrupo/Lab_Detector_Gaseoso.html• http://www.ua.es/es/servicios/servicio.prevencion/especialidades/salud/radiaciones.pdf• http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_8.htm 19