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@ -5,7 +5,7 @@ supervisor=Juliane\ Volkmer, coursedate=29.\ 11.\ 2019]{../../Lab_Report_LaTeX/l
\author{Oliver Matthes, Valentin Boettcher}
\usepackage{todonotes}
\graphicspath{ {figs/} }
\newcommand{\cs}{\emph{Comptonstreuung }}
\newcommand{\cs}{\emph{Comptonstreuung}}
\newcommand{\am}{\ce{^241Am} }
\newcommand{\kev}[1]{\SI{#1}{\kilo\electronvolt}}
\usepackage{pgf}
@ -21,25 +21,22 @@ supervisor=Juliane\ Volkmer, coursedate=29.\ 11.\ 2019]{../../Lab_Report_LaTeX/l
\section{Einleitung}
\label{sec:einl}
\cs ist in einem Energiebereich von hundert Kiloelektronenvolt bis hin zu wenigen
\cs{} ist in einem Energiebereich von hundert Kiloelektronenvolt bis hin zu wenigen
Megaelektronenvolt der Wechselwirkungsprozess zwischen Photonen und Materie, der am
wahrscheinlichsten auftritt und deswegen in vielen physikalischen Bereichen beachtet werden muss.
Neben \cs gibt es natürlich auch noch andere Wechselwirkungsprozesse wie der
Neben \cs{} gibt es natürlich auch noch andere Wechselwirkungsprozesse wie den
Photoeffekt, der vor allem bei geringen Photonenenergien auftritt oder die Paarbildung bei
der man Energien von mindestens zwei Elektronenmassen braucht, um ein Elektron-Positron-Paar
zu erzeugen. Diese Prozesse werden in diesem Versuch allerdings nicht betrachtet.\\
Um Aussagen über die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon mit einem Elektron wechselwirkt,
treffen zu können, definiert man den Wirkungsquerschnitt:
treffen zu können, definiert man den Wirkungsquerschnitt
\begin{equation}\label{eq:wirkquer}
\sigma = \frac{N}{\Phi}
\end{equation}
\begin{conditions}
N & mittlere Wechselwirkungsanzahl eines Teilchens mit einem atomaren Target \\
\Phi & Teilchenfluenz, dem das Target ausgesetzt ist
\end{conditions}
mit der mittleren Wechselwirkungsanzahl eines Teilchens mit einem
atomaren Target \(N\) und der Teilchenfluenz, dem das Target
ausgesetzt ist \(\Phi\).
Der Wechselwirkungsquerschnitt der inkohärenten Streuung und damit des Comptoneffekts ist
proportional zur Ordnungszahl des Atoms (\(\sigma_i \propto\) Z).\cite[2]{iktp19}\\
@ -47,21 +44,25 @@ proportional zur Ordnungszahl des Atoms (\(\sigma_i \propto\) Z).\cite[2]{iktp19
\subsection{Inkohärente Streuung}
\label{sec:inkostreu}
Wichtig, um \cs beschreiben zu können, ist der Prozess der \emph{inkohärenten Streuung}.
Wichtig, um \cs{} beschreiben zu können, ist der Prozess der \emph{inkohärenten Streuung}.
Dabei überträgt das Photon bei der Wechselwirkung mit einem an einem Atomkern gebundenen
Elektron einen Teil seiner Energie auf dieses, so dass es den gebundenen Zustand verlassen kann.
Vernachlässigt man bei diesem Prozess die Bindungsenergie des Elektrons, nennt man diesen \cs,
Vernachlässigt man bei diesem Prozess die Bindungsenergie des Elektrons, nennt man diesen \cs{},
da Arthur Holly Compton 1922 diese Annahme traf, um diesen Effekt zu beschreiben.~\cite[3]{iktp19}\\
\subsubsection{Comptonstreuung}
\label{sec:cs}
Um \cs zu beschreiben, geht man, wie oben schon erwähnt, von quasi freien Elektronen aus.
Diese Annahme trifft besonders gut auf Metalle zu (im Experiment werden wir mit einem Aluminiumtarget arbeiten).
Wird ein Photon an einem Elektron gestreut, ändert sich seine Energie sowie seine
Bewegungsrichtung um einen polaren Streuwinkel \(\vartheta\). Nutzt man den Energie-
und den Impulserhaltungssatz aus und setzt den Photonenimpuls \(p = E/c\) ein, so erhält man
einen Ausdruck für die Energie des Wechselwirkungsphotons nach der Interaktion:
Um \cs{} zu beschreiben, geht man, wie oben schon erwähnt, von quasi
freien Elektronen aus. Diese Annahme trifft besonders gut auf Metalle
zu (im Experiment werden wir mit einem Aluminiumtarget arbeiten).
Wird ein Photon an einem Elektron gestreut, ändert sich seine Energie
sowie seine Bewegungsrichtung um einen polaren Streuwinkel
\(\vartheta\). Nutzt man den Energie- und den Impulserhaltungssatz aus
und setzt den Photonenimpuls \(p = E/c\) ein, so erhält man mit \(E'\)
als Energie des Photons vor dem Sto\ss{} den Ausdruck
in~\eqref{eq:photoenergie} für die Energie des Wechselwirkungsphotons
nach der Interaktion.
\begin{gather}
E(\mu) = \frac{E'}{1 + \kappa(1 - \mu)} \label{eq:photoenergie}\\
@ -69,24 +70,20 @@ einen Ausdruck für die Energie des Wechselwirkungsphotons nach der Interaktion:
\mu = \cos\vartheta
\end{gather}
\begin{conditions}
E' & Photonenenergie vor dem Stoß
\end{conditions}
Die Ruheenergie des Elektrons beträgt:
Die Ruheenergie des Elektrons beträgt
\begin{equation}\label{key}
E_{e^-} = m_0c^2 = \SI{511}{\kilo\electronvolt}
\end{equation}\\
E_{e^-} = m_0c^2 = \SI{511}{\kilo\electronvolt}.
\end{equation}
Die maximal mögliche Energie, die ein Photon nach der Streuung haben kann, ist also dessen
Ausgangsenergie. Bei einem Streuwinkel von \(\vartheta = 0^\circ\) (Vorwärtsstreuung) folgt
\(\mu \rightarrow 1 \implies E(\mu) \rightarrow E'\).
Die Minimalenergie wird bei \(\mu = -1\), also bei \(\vartheta = 180^\circ\), erreicht, da
hier gilt:
hier gilt
\begin{equation}\label{eq:emax}
E(\mu) = \frac{E'}{1 + 2\kappa}
E(\mu) = \frac{E'}{1 + 2\kappa}.
\end{equation}
Je größer der polare Streuwinkel \(\vartheta\) des Photons ist, desto mehr Energie wird beim Stoß
@ -104,17 +101,17 @@ Energieverlustes (vgl.~\ref{fig:evontheta}).\\
Um eine Aussage zur Wahrscheinlichkeit zu treffen, mit der ein Photon in einem Raumwinkelelement
\(d\Omega = \sin\vartheta d\vartheta d\phi\) gestreut wird, haben \textsc{O. Klein} und
\textsc{Y. Nishina} 1929 einen analytischen Ausdruck für den differentiellen Wirkungsquerschnitt
hergeleitet \cite{kn29}:
hergeleitet~\cite{kn29}
\begin{equation}\label{eq:kn}
\sigma^{\text{KN}}_\Omega(\mu) = \frac{d\sigma}{d\Omega} = \frac{r_e^2}{2} \cdot \qty(\frac{1}{1 + \kappa(1 - \mu)})^2 \cdot \qty(\kappa(1 - \mu) + \frac{1}{1 + \kappa(1 - \mu)} + \mu^2)
\end{equation}
Mit \(r_e = \SI{2,818e-15}{\metre}\) als klassischen Elektronenradius.\\
mit \(r_e = \SI{2,818e-15}{\metre}\) als klassischen Elektronenradius. Dieser Zussamenhang ist f\"ur verschiedene \(E'\) in~\ref{fig:sigmakn}.
Für \(\mu = 1\), also Vorwärtsstreuung folgt:
Für \(\mu = 1\), also Vorwärtsstreuung folgt
\begin{equation}\label{key}
\sigma^{\text{KN}}_\Omega(\mu = 1) = r_e^2 = \SI{79,4}{\milli\barn}
\sigma^{\text{KN}}_\Omega(\mu = 1) = r_e^2 = \SI{79,4}{\milli\barn}.
\end{equation}
\begin{figure}[H]\centering
@ -128,9 +125,11 @@ Die Grafiken und Formeln entstammen eigener Rechnung und~\cite[3-5]{iktp19}.
\subsubsection{Korrektur für inkohärente Streuung}
\label{sec:cskorrektur}
Wenn man die Bindungsenergie der Elektronen nicht vernachlässigt, multipliziert man eine
Korrektur des differentiellen Wirkungsquerschnitts an die \textsc{Klein}-\textsc{Nishina}-Formel
eine inkohärente Streufunktion \(S(E', \mu, Z)\)~\cite[5-6]{iktp19}:
Wenn man die Bindungsenergie der Elektronen nicht vernachlässigt,
multipliziert man eine Korrektur des differentiellen
Wirkungsquerschnitts an die \textsc{Klein}-\textsc{Nishina}-Formel
eine inkohärente Streufunktion \(S(E', \mu, Z)\)~\cite[5-6]{iktp19},
wie in \eqref{eq:knkorrektur} geschehen.
\begin{equation}\label{eq:knkorrektur}
\sigma^{i}_\Omega(E', \mu, Z) = \sigma^{\text{KN}}_\Omega(E', Z) \cdot S(E', \mu, Z)
@ -183,9 +182,10 @@ Für alle Quellen wurden Histogramme aufgenommen und mit Hilfe der Website \emph
die Energien der Peaks den Kanalnummern zugeordnet, um herauszufinden, welcher Kanal, welcher
Energie entspricht.
Die folgenden Tabellen listen die \(\gamma\) \"Uberg\"ange der
einzelnen Kalibrierproben auf. Die jeweils in gleichen Farben
hinterlegten Energien wurden gewichtet gemittelt zur Kalibrierung genutzt.
\ref{tab:cspeaks}, \ref{tab:bapeaks}, \ref{tab:ampeaks} und
\ref{tab:eupeaks} listen die \(\gamma\) \"Uberg\"ange der einzelnen
Kalibrierproben auf. Die jeweils in gleichen Farben hinterlegten
Energien wurden gewichtet gemittelt zur Kalibrierung genutzt.
\begin{table}[H]
\centering
@ -252,14 +252,15 @@ Um die Kanallage der Peaks zu bestimmen wird eine Gaußkurve der Form
\"uber die aufgenommenen Histogramme gefittet. Dabei gibt nun \(\mu\)
die Kanallage. Die Unsicherheit der Kanallage ergibt sich aus der
Unsicherheit im Fit. Für die Unsicherheit der einzelnen
Histogrammwerte wurde gem\"a\ss{} der Poissonverteilung die Wurzel der
Ereigniszahl angesetzt.
Unsicherheit im Fit. Für die Unsicherheit der H\"ohe der einzelnen
Bins im Histogram wurde gem\"a\ss{} der Poissonverteilung die Wurzel
der Ereigniszahl angesetzt.
Für \ce{^{137}Cs} ist das Resultat in~\ref{fig:calfitcs} dargestellt.
\begin{figure}[h]\centering
\input{../auswertung/figs/calibrate/cs.pgf}
\caption{Fit f\"ur \ce{^{137}Cs}}
\caption{Fit \"uber den Z\"ahlratenpeak f\"ur eine \ce{^{137}Cs} zur
Bestimmung der Kanallage desselben zwecks der Energiekalibrierung.}
\label{fig:calfitcs}
\end{figure}
@ -271,13 +272,12 @@ Ein Linearer Fit der Form
\label{eq:linclafit}
K(E) = \frac{E-a}{b}
\end{equation}
ergibt die Kalibrierungsparameter (in dieser Form, da \(K\) mit
Unsicherheit behaftet). Daraus erhält man durch Umstellen
einen Zusammenhang
\begin{equation}
\label{eq:eofk}
E(K) = a + K\cdot b
E(K) = a + K\cdot b.
\end{equation}
In~\ref{fig:energyfit} werden die Kanallagen \"uber der Energie
@ -300,13 +300,23 @@ Es ergibt sich f\"ur die Parameter:
\subsection{Aufnahme eines Histogramms}
\label{sec:histogramm}
Zur Aufnahme dieses Histogramms wurde die \am{}-Quelle mit Kollimator mit einer
Aktivität von \(\SI{0,5}{\giga\becquerel}\) in die entsprechende Halterung (1) eingespannt, auf
einen Streuwinkel von \(\vartheta = 90^\circ\) und eine Distanz vom Aluminiumstreustab, der einen
Durchmesser von \(\SI{6}{\milli\metre}\) hatte, von \(\SI{3}{\centi\metre}\) eingestellt.
Danach wurde für ca. \(\SI{20}{\min}\) ein Histogramm aufgezeichnet. Dies wurde für die
Hintergrundmessung ohne Streustab wiederholt. Die aufgenommen
Histogramme sind in~\ref{fig:am20hist} und~\ref{fig:am20histnull} dargestellt.
Zur Aufnahme dieses Histogramms wurde die \am{}-Quelle mit Kollimator
mit einer Aktivität von \(\SI{0,5}{\giga\becquerel}\) in die
entsprechende Halterung (1) eingespannt, auf einen Streuwinkel von
\(\vartheta = 90^\circ\) und eine Distanz vom Aluminiumstreustab, der
einen Durchmesser von \(\SI{6}{\milli\metre}\) hatte, von
\(\SI{3}{\centi\metre}\) eingestellt. Danach wurde für
ca. \(\SI{20}{\min}\) ein Histogramm aufgezeichnet. Dies wurde für die
Hintergrundmessung ohne Streustab wiederholt. Die Hintergrundmessung
verl\"auft analog zur Aufnahme des Histograms mit stab und dient der
Quantifizierung des Anteils von detektierten Photonen, die nicht am
Stab gestreut werden (z. B. Streuung an der Raumwand). Zieht man
diesen Hintergrund von den eigentlichen Messungen ab, so z\"ahlt man
in guter N\"aherung nur noch am Stab gestreute Photonen. Dabei kann es
durch statistische Schwankungen auch zu N\"agtiven Ereigniszahlen
kommen, die an sich unphysikalisch sind, aber nur bei geringen
Ereignisszahlen auftreten. Die aufgenommen Histogramme sind
in~\ref{fig:am20hist} und~\ref{fig:am20histnull} dargestellt.
\begin{figure}[h]\centering
\input{../auswertung/figs/hists/am_90.pgf}
@ -324,17 +334,15 @@ Histogramme sind in~\ref{fig:am20hist} und~\ref{fig:am20histnull} dargestellt.
\subsection{Messzeitoptimierung}
\label{sec:topt}
Die effektive Zählrate ergibt sich wie folgt:
Die effektive Zählrate ergibt sich zu
\begin{align}
\label{eq:countrate}
\dot{N} &= \frac{N_g-N_0}{t} \\
\Delta N_i &= \sqrt{N_i}\qq{(Poissonverteilng)}
\end{align}
\begin{conditions}
N_g & Gesamtzählrate \\
N_0 & Dunkelzählrate \\
t & Messzeit
\end{conditions}
mit der Gesamtzählrate \(N_g\), Dunkelzählrate \(N_0\) und der
Messzeit \(t\).
Aus der Gau\ss{}schen Fehlerfortpflanzung folgt f\"ur die minimale
Messzeit bei Forderung einer maximalen Unsicherheit
@ -349,9 +357,9 @@ Messzeit bei Forderung einer maximalen Unsicherheit
3\cdot\dot{N_0})^2\cdot\frac{\dot{N_g}}{t}
+ (3\cdot\dot{N_g} + \dot{N_0})^2\cdot\frac{\dot{N_0}}{t}}}{(\Delta\dot{N}/\dot{N})^2\cdot (\dot{N_g} -
\dot{N_0})^3}
\end{align}
\end{align}.
In unserem Fall gilt nun:
In unserem Fall gilt nun
\begin{align}
t &=\SI{1183}{\second} \\
\dot{N_g} &=\SI{7.96\pm.08}{\per\second} \\
@ -359,7 +367,7 @@ In unserem Fall gilt nun:
\Delta\dot{N}/\dot{N} &\overset{!}{=}\SI{5}{\percent} \\
t_{opt} &=\SI{7.8}{\min} \\
\Delta t_{opt} &=\SI{1.6}{\min}
\end{align}
\end{align}.
Die Gesamtereigniszahl wurde jeweils durch Aufsummierung der
Ereigniszahlen der Kan\"ale \(530\) bis \(780\) ermittelt.
@ -376,7 +384,9 @@ aber auf
festgelegt.
In den folgenden Betrachtungen ergeben sich au\ss{}erhalb der Peaks
immer wieder negative Z\"ahlraten nach Abzug des Untergrunds. Man kann das als statistische Schwankung interprettieren, die bei gr\"o\ss{}eren Messzeiten weniger ins gewicht fiele.
immer wieder negative Z\"ahlraten nach Abzug des Untergrunds. Man kann
das als statistische Schwankung interprettieren, die bei
gr\"o\ss{}eren Messzeiten weniger ins Gewicht fiele.
\subsection{Photonenenergiebestimmung in Abhängigkeit des Streuwinkels}
\label{sec:energwinkel}
@ -390,7 +400,7 @@ Winkel musste natürlich auch der Hintergrund gemessen werden, um
diesen später in der Auswertung abziehen zu können. Durch ein
\"ahnliches Verfahren wie in~\ref{sec:kalib} wurden die Kanallagen des
Peaks um \kev{60} nach Abzug der Nullmessungen bestimmt und
mit~\ref{eq:eofk} in Energien umgerechnet. Die dazugeh\"origen Plots
mit~\eqref{eq::eofk} in Energien umgerechnet. Die dazugeh\"origen Plots
finden sich in~\ref{sec:anangplot}.
\begin{table}[H]
@ -414,17 +424,16 @@ finden sich in~\ref{sec:anangplot}.
\end{table}
\ref{fig:energycurve} zeigt die Energien im Vergleich mit den
theoretischen Erwartungen nach~\ref{eq:photoenergie}. Zu erkennen ist
theoretischen Erwartungen nach~\eqref{eq::photoenergie}. Zu erkennen ist
eine prinzipielle \"Ubereinstimmung im Verlauf. Die Kalibrierung
scheint aber im hier betrachteten Bereich nicht optimal zu sein,
wahrscheinlich aufgrund der wenigen Kalibriermessungen im Bereich um
\kev{60}. Auch wurde in die Unsicherheit in der Peakbreite bei der
Berechnung der Messabweichungen vernachlässigt.
\kev{60}.
\begin{figure}[H]\centering
\input{../auswertung/figs/winkelmessung/energycurve.pgf}
\caption{Energie der gestreuten Photonen in Abhängigkeit von \(\mu\)
und Theoretische Erwartung.}
und theoretische Erwartung.}
\label{fig:energycurve}
\end{figure}
@ -435,7 +444,7 @@ Summierung der Z\"ahlzahlen in einem Bereich von \(\pm 3\sigma\) um
die in~\ref{sec:energwinkel} ermittelten Peaks berechnet. Der Prozess
wird wiederum durch die Plots in~\ref{sec:anangplot} veranschaulicht.
Die Messabweichung ergeben sich gem\"a\ss{}~\ref{eq:countrate} zu:
Die Messabweichung ergeben sich gem\"a\ss{}~\eqref{eq::countrate} zu:
\begin{align}
\Delta\dot{N} &= \sqrt{\qty(\pdv{\dot{N}}{\dot{N_g}}\cdot\Delta\dot{N_g})^2 + \qty(\pdv{\dot{N}}{\dot{N_0}}\cdot\Delta\dot{N_0})^2} \\
@ -444,7 +453,7 @@ Die Messabweichung ergeben sich gem\"a\ss{}~\ref{eq:countrate} zu:
Die ermittelten Zählraten sind in~\ref{fig:countrates}
aufgetragen. Normiert man diese und auch die theoretische Kurve
nach~\ref{eq:kn} auf den Wert bei \(\theta = 120^\circ\), so ergibt
nach~\eqref{eq::kn} auf den Wert bei \(\theta = 120^\circ\), so ergibt
sich~\ref{fig:rel_countrates}. Man erkennt wiederum eine prinzipielle
\"Ubereinstimmung, wobei sich Abweichungen wie
in~\ref{fig:sigmaknkorrigiert} ergeben. Der dritte Messpunkt ist von
@ -452,11 +461,11 @@ sehr schlechter Qualit\"at, da die Messung ungew\"ohnlich stark
rauschte und liegt deswegen weitab der Theoriekurve. (Siehe
auch~\ref{fig:90})
Zu erkennen ist weiterhin, dass die Theoriekurve bei kleinen \(\mu\)
sehr gut mit den Messungen \"ubereinstimmt und bei gro\ss{}en \(mu\)
Zu erkennen ist weiterhin, dass die Theoriekurve bei gro\ss{}en Winkeln
recht gut mit den Messungen \"ubereinstimmt und kleinen Winkeln
wie in~\ref{fig:sigmaknkorrigiert} Abweichungen bedingt durch die
endliche Bindungsenergie zeigt. Nat\"urlich wurde die Normierung so
gew\"ahlt, um diese Bild zu provozieren.
gew\"ahlt, um dieses Bild zu provozieren.
\begin{table}[H]
\centering
@ -518,9 +527,9 @@ in~\ref{fig:dicke-countrate} aufgetragen.
\label{tab:ratedurch}
\end{table}
Aufgrund starken Rauschens ergibt sich
aus~\ref{fig:dicke-2} bei \SI{2}{\milli\meter} eine sehr kleine
Zählrate.
Aufgrund starken Rauschens ergibt sich aus~\ref{fig:dicke-2} bei
\SI{2}{\milli\meter} eine kleine Peakbreite im Fit und daher eine sehr
kleine Zählrate.
Generell ist zu erkennen, dass die Zählrate ann\"ahernd linear vom
Streukörperdurchmesser abhängt, da auch die bestrahlte
@ -591,15 +600,17 @@ in~\ref{fig:dists-countrates} zu erkennen, nimmt die Zählrate mit dem
Abstand der Quelle zum Target wie erwartet ab.
Dahingegen nimmt die Peakbreite, wie in~\ref{fig:dists-widths} zu
erkennen mit \(l\) zu. Betrachtet man den Strahlkegel der am Target
gestreut wird so verringert sich bei Vergr\"o\ss{}erung des Abstandes
\(l\) dessen \"Offnungswinkel. Daraus folgt, dass mehr nah bei der
zentralen Energie liegende Strahlen den Detektor erreichen. Es w\"are
innerhalb der Messabweichung auch der umgekehrte Fall m\"oglich. Es
l\"asst sich hier also keine entg\"ultige Aussage treffen.
erkennen mit \(l\) zu. Es w\"are innerhalb der Messabweichung auch
der umgekehrte Fall m\"oglich und damit l\"asst sich hier also keine
entg\"ultige Aussage treffen. Betrachtet man den Strahlkegel der am
Target gestreut wird so verringert sich bei Vergr\"o\ss{}erung des
Abstandes \(l\) dessen \"Offnungswinkel. Daraus folgt, dass mehr nah
bei der zentralen Energie liegende Strahlen den Detektor
erreichen. Diese Betrachtung w\"urde gerade den nicht beobachteten
Fall favorisieren.
\section{Fazit}
Der Prozess der \cs ist in diesem Versuch in qualitativer
Der Prozess der \cs{} ist in diesem Versuch in qualitativer
Übereinstimmung mit der Theorie untersucht worden. Die Kalibrierung
war trotz der relativ gro\ss{}en Anzahl der Messpunkte nicht sehr akkurat,
wie sich in~\ref{sec:energwinkel} zeigte. Die optimale Messzeit wurde

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@ -1,5 +0,0 @@
\let\PREVIEWdump\dump\def\dump{%
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Binary file not shown.