Beta-Spektroskop p mv eBr = = . 09104.00

R
Beta-Spektroskop
09104.00
Betriebsanleitung
Abb. 1: Beta-Spektroskop 09104.00
1 ZWECK
Mit dem Beta-Spektroskop 09104.00 (Abb. 1) wird die Geschwindigkeit von Beta-Teilchen gemessen und daraus
deren Energie berechnet; der Wert e/m wird dabei als bekannt vorausgesetzt.
Das Beta-Spektroskop ist sowohl als Demonstrationsgerät
wie auch für Praktikumsversuche geeignet.
2 ANGABEN ZUM GERÄT
2.1 Beschreibung
Das Beta-Spektroskop (vgl. die schematische Darstellung,
Abb. 2) ist eine runde Flachkammer, deren dicke zylindrische Wand 1 aus nicht magnetisierbarem Material besteht;
Boden und Deckel werden von zwei flachen, planen Polschuhen gebildet.
In der Wand 1 befinden sich drei Durchbrüche: die Präparathalterung 2 mit Eintrittsblende 3, die Magnetfeldsondendurchführung 4 und die Zählrohrhalterung 5 mit Austrittsblende 6.
Auf dem Kammerboden ist ein System von Blenden angeordnet, welches die von der vorgegebenen Kreisbahn abweichenden Beta-Teilchen ausblendet.
Zur Halterung des Beta-Spektroskops auf einem AufbauMagneten (vgl. 4.1.1) dient ein von außen in den Kammerboden einschraubbarer Zentrierstift. Der Kammerdeckel
kann nach Lösen einer Schraube abgenommen werden.
2.2 Technische Daten und physikalische Konstanten
mittlerer Bahnradius:
r = 50mm
Konstanten:
c = 299792,5 · 103 m/s
m0 = 9,1091 · 10–31 kg
e = 1,60210 · 10–19 C
3. MESSMETHODE
Im Beta-Spektroskop werden Beta-Teilchen dadurch nach
ihrer Energie selektiert, daß eine feste Kreisbahn in einem
homogenen Magnetfeld durch Blenden vorgegeben ist und
eine eindeutige Beziehung zwischen der Kraftflußdichte B
und der Geschwindigkeit v der Beta-Teilchen auf dieser
Kreisbahn besteht.
Auf der Kreisbahn sind die Lorentzkraft, hervorgerufen
durch das magnetische Querfeld, und die Zentrifugalkraft
im Gleichgewicht:
mv 2
evB =
.
r
Hieraus folgt für den Impuls:
p = mv = eBr.
Abb. 2: Schematische Darstellung des Beta-Spektroskops mit
eingezeichneter Flugbahn der gezählten Zeichen
PHYWE SYSTEME GMBH · Robert-Bosch-Breite 10 · D-37079 · Göttingen · Telefon (05 51) 6 04-0 · Telefax (05 51) 60 41 07
B
mT 180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
2 bei 2,4
0,4 als0,8
1,2der Stromstärke
1,6
Abb. 3a: Magnetfeld
Funktion
Verwendung der Spule 06514.00 (600 Wdg.)I
Abb. 3: Kalibrierkurve des Beta-Spektroskops
2,8
A
Für relativistische Partikel mit dem Impuls p gilt die Impulsbeziehung:
4 HANDHABUNG IM EXPERIMENT
4.1 Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes
Zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes für das
Beta-Spektroskop kann entweder (wie in Abb. 4) ein Aufbau-Elektromagnet benutzt werden oder aber der Elektromagnet 06480.01, der zur Erzeugung eines starken, homogenen Feldes mit zwei planen Polschuhen 06480.02
auszurüsten ist.
E2
= p 2 + m02c 2 .
c2
Dabei ist E die Gesamtenergie der Partikel, die sich in die
kinetische Energie Ekin und in die Ruheenergie m0 c2 aufteilt:
4.1.1 Anordnung mit Aufbau-Elektromagnet
Einen geblätterten U-förmigen Eisenkern versieht man auf
einem Schenkel mit einer Spule (600 Wdg) und steckt darüber das Beta-Spektroskop (wozu in den Kammerboden
der Zentrierstift eingeschraubt sein muß).
Auf den anderen Schenkel des U-Kerns steckt man den
runden, massiven Eisenkern 06490.01, der die gleiche
Höhe wie das Beta-Spektroskop hat. Als Joch wird ein stabförmiger geblätterter Eisenkern aufgelegt. Bevor man das
Joch mit Hilfe einer Spannvorrichtung 06506.00 andrückt,
muß das Beta-Spektroskop so gedreht werden, daß seine
drei Wanddurchbrüche (für Präparat, Zählrohr und Magnetfeldsonde) frei zugänglich sind.
E = E kin + m0 c 2 .
Für die kinetische Energie gilt demzufolge
2
E kin = ( eBrc ) + m02 c 4 − m0 c 2 .
Dies ist die gesuchte Beziehung zwischen Teilchenenergie
und Kraftflußdichte. Bei einem mittleren Kreisbahnradius
r von 50 mm ergibt sich die in Abb. 3 dargestellte Kalibrierkurve. Steht kein Magnetfeldmeßgerät zur Verfügung, so
kann die Feldstärke aus Abb. 3a ermittelt werden.
4.1.2 Anordnung mit Elektromagnet 06480.01
Der Elektromagnet ist gemäß zugehöriger Bedienungsanleitung mit zwei planen Polschuhen 06480.02 zu versehen.
Zwischen diesen soll das Beta-Spektroskop – mit seinen
Polschuhen an den Magnetpolschuhen anliegend – eingeklemmt werden, und zwar etwa mittig zwischen den Feldspulen. Bei zunächst geringfügig größerem Abstand der
Magnetpolschuhe richtet man das Beta-Spektroskop (dessen Zentrierstift entfernt wurde) so aus, daß die drei Wanddurchbrüche (für Präparat, Zählrohr und Magnetfeldsonde)
frei zugänglich sind. Dann wird das Beta-Spektroskop mit
den Magnetpolschuhen festgeklemmt.
4.2 Magnetfeldmessung
Zur Messung der magnetischen Flußdichte im Innern des
Beta-Spektroskopes dient das Teslameter in Verbindung
mit der Tangentialsonde. Die Sonde wird – Sondenfläche
parallel zu den Polschuhflächen des Beta-Spektroskops –
2
09104.00
vorsichtig so weit in den Wanddurchbruch eingeschoben,
bis ein mechanischer Widerstand spürbar ist. In dieser Stellung ist die Sonde mit Hilfe von Stativmaterial sicher zu haltern, damit sie nicht abknicken kann, wodurch sie zerstört
werden könnte.
4.3 Zählrohr und Beta-Strahler
Beim Einsetzen von Zählrohr und Phywe-Präparaten (siehe
Geräteliste) in die entsprechenden Wanddurchbrüche des
Beta-Spektroskops ist keinerlei Justierung erforderlich: das
Zählrohr wird vorsichtig bis zum Anschlag eingeschoben,
das Präparat bis zum deutlich spürbaren Einrasten.
4.4 AUFNAHME EINES BETA-SPEKTRUMS
Durch Verändern des Spulenstromes wird das Magnetfeld
schrittweise variiert und die jeweils zugehörige Zählrate gemessen. Trägt man die Zählrate über dem gemessenen
Magnetfeld auf, so erhält man ein Diagramm, wie es in
Abb. 5 für einen Sr-90-Strahler dargestellt ist. Mit Hilfe der
Kalibrierkurve (Abb. 3) läßt sich das Diagramm auswerten.
5. MATERIALLISTE
Beta-Spektroskop
Eisenkern, d = 40 mm, h = 25 mm
Amperemeter 1 mA– 3 A∼
Netzgerät, universal
Digitalzähler, 4 Dekaden
Teslameter, digital
Hallsonde, tangential
Eisenkern, stabf., kurz, geblättert
Eisenkern, U-förmig, geblättert
Spannvorrichtung
Spule 600 Windungen
Zählrohr, Typ A
BNC-Kabel, l = 750 mm
Verbindungsleitungen
09104.00
06490.01
07036.00
13500.93
13600.93
13610.93
13610.02
06500.00
06501.00
06506.00
06514.01
09025.11
07542.11
(3x)
Radioaktive Präparate:
Präparat Sr-90, 74 kBq
Präparat Na-22, 74 kBq
09047.53
09047.52
Abb. 5: Beta-Spektrum von Sr-90
3
09104.00