Transcript
Page 1: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

1  

The  Compton  Effect  Physics  2150  Experiment  No.  6  

University  of  Colorado  Introduction       In  some  situations,  electromagnetic  waves  can  act  like  particles,  carrying  energy  and  momentum,  which  they  may  impart  to  other  particles  with  which  they  interact.  According  to  Planck’s  hypothesis,  an  electromagnetic  wave  of  frequency  !  carries  an  energy  given  by:    

! = !ℎ!                                  (1)    where  !  is  a  positive  integer  and  ℎ  is  Planck’s  constant.  The  minimum  amount  of  energy  which  can  be  carried  by  an  electromagnetic  wave  is  thus  that  carried  by  one  photon.  Further,  according  to  the  de  Broglie  relation,  if  the  wavelength  of  the  radiation  is  !,  then  the  photon  has  a  momentum  given  by    

! = !!=   !!

!                                  (2)  

 since  

!!= !

!  for  an  electromagnetic  wave.  

 Consider  a  photon  which  collides  with  an  electron  at  rest.  In  Fig.  1,  let  !  be  the  angle  

at  which  the  photon  comes  off,  and  let  !  be  the  angle  at  which  the  electron  comes  off.  Since      

   

Figure  1:  Collision  of  a  Photon  with  an  Electron  Initially  at  Rest    the  photon  emerging  from  the  collision  has  a  momentum  different  from  that  of  the  incident  photon,  it  will  have  a  different  wavelength,  which  we  shall  denote  by  !′.  Applying  the  relativistic  law  of  conservation  of  energy  to  this  collision    

Page 2: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

2  

!!!+  !!!! =  

!!!!+!!!                            (3)  

 where  the  mass  of  the  electron  after  that  collision  is      

! = !!

!!  !!

!!

 .                                  (4)  

 In  this  equation,  !  is  the  electron’s  velocity  in  the  laboratory  reference  frame.  Applying  the  laws  of  conservation  of  momentum  in  the  plane  of  the  collision  gives         !

!=   !

!!  cos! +!"   cos!,                              (5)  

 and         0 = !

!!  sin! −!"   sin!.                              (6)  

 It  follows  from  these  three  equations  (see  any  text  in  modern  physics  for  the  derivation)  that  the  change  in  wavelength  of  the  scattered  photon  is  given  by:         !! −  ! =   !

!!!   1−  cos! .                              (7)  

 This  result  can  be  expressed  directly  in  terms  of  the  energies  !′  and  !  of  the  scattered  and  unscattered  gamma  rays,  respectively,  by  using  ! = ℎ!/!:         !

!!−   !

!=   !

!!!!   1−  cos! .                              (8)  

 This  change  of  gamma-­‐ray  wavelength  (or  energy)  upon  scattering  from  an  electron  is  called  the  Compton  Effect,  and  the  object  of  this  experiment  is  to  measure  the  change  of  the  energy  of  the  scattering  and  to  compare  the  results  with  Eq.  (7)  or  (8).       The  apparatus  used  in  this  experiment  consists  of  one  strong  137Cs  source  used  in  parts  1,  2,  and  3.  Both  its  scattered  and  unscattered  energies  will  be  determined.  Three  weak  calibrating  sources  (137Cs,  22Na,  and  60Co)  will  be  used  solely  for  calibrating  a  pulse-­‐height  analyzer.  In  addition  to  these  sources,  there  is  a  sodium  iodide  detector,  a  scaler-­‐time-­‐counter,  associated  power  supplies,  and  a  computer  that  contains  a  pulse-­‐height  analyzer.       The  geometry  of  the  scatterers  is  based  on  a  theorem  from  plane  geometry  that  states  that,  in  effect,  if  a  triangle  is  inscribed  inside  a  circle  with  a  fixed  chord  of  the  circle  as  one  side,  then  the  angle  opposite  the  fixed  chord  is  a  constant  (see  Fig.  3).  Thus,  if  a  source  is  placed  at  one  end  of  the  chord,  and  a  photon  emitted  from  this  point  is  scattered    

Page 3: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

3  

 Figure  2:  Geometry  of  the  Source,  Detector,  and  the  90°  Scattering  Plates    

 Figure  3  If  a  triangle  is  inscribed  in  a  circle  with  a  fixed  chord  of  the  circle  as  one  side,  then  the  opposite  angle  of  the  triangle  is  a  constant.    by  electrons  placed  on  the  circumference  of  the  circle,  and  if  the  photon  is  subsequently  detected  by  a  counter  placed  at  the  other  end  of  the  chord,  then  the  scattering  angle  is  fixed  by  the  geometry.  If  a  circular  plate  is  shaped  to  fit  the  circumference  of  the  circle  and  the  photons  are  allowed  to  scatter  off  the  entire  plate,  then  any  photon  which  is  detected  after  one  scattering  must  have  been  scattered  through  the  same  angle.       The  particular  setup  used  in  this  experiment  has  been  constructed  in  such  a  way  that  the  two  different  scattering  angles  may  be  used:  69°  and  90°.  These  angles  were  arbitrarily  chosen  and  there  is  no  reason  in  principle  why  one  could  not  construct  

Page 4: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

4  

scatterers  for  any  chosen  angle.  The  scatterers  used  are  thin  aluminum  plates  because  aluminum  has  relatively  high  density  of  free  electrons.       Referring  to  Eq.  (7)  or  (8),  the  constants  ℎ,  !! ,  and  !  are  known  fundamental  constants.  Therefore,  in  order  to  verify  the  correctness  of  these  predictions,  we  must  measure  the  energies  of  both  the  unscattered  (!)  and  the  scattered  (!!)  photons  for  one  or  more  particular  angles.       Since  the  mass  absorption  coefficient  of  lead  is  a  known  function  of  energy,  the  energy  measurement  in  this  experiment  is  performed  by  measuring  the  mass  absorption  coefficient  of  the  gamma  rays  in  lead.  For  a  given  absorbing  material,  the  absorption  probability  is  proportional  to  the  number  of  atoms  of  absorber  per  unit  of  cross  sectional  area.  Therefore,  it  is  convenient  to  measure  absorber  thickness  in  cm.  A  series  of  cylindrical  lead  absorbers  is  provided.  These  are  constructed  so  that  they  may  be  placed  in  successively  thicker  layers  around  the  detector.  A  beam  of  gamma  rays  of  initial  intensity  !!  is  attenuated  upon  passing  through  a  thickness  !  (in  g/cm2)  of  absorber  according  to  the  equation:         ! = !!    !"#  (−!")                                (9)    where  !  is  the  mass  absorption  coefficient  in  cm2/g.  The  intensities  !  and  !!  are  in  terms  of  number  of  gamma  rays  per  square  centimeter  per  second.  For  a  particular  geometrical  configuration  of  source  and  scatterer,  the  mass  absorption  coefficient  is  determined  by  measuring  the  counting  rate  (intensity)  as  a  function  of  the  thickness  of  the  absorbers.  This  functional  relationship  may  be  then  plotted  either  on  semi-­‐log  paper  or  by  using  a  weighted  linear-­‐regression  computer  program  such  as  Wlinfit  or  its  equivalent.  Wlinfit  gives  both  the  slope  of  the  resulting  straight  line  and  its  uncertainty.  If  semi-­‐log  paper  is  used  to  make  the  plot,  the  slope  and  its  uncertainty  are  determined  graphically.  The  energy  may  then  be  determined  from  the  curve  provided  (Fig.  6).       The  sodium  iodide  (NaI)  scintillation  detector  used  in  this  experiment  is  an  important  and  widely  used  device  for  detecting  gamma  rays.  As  shown  in  Fig.  4,  it  consists  of  a  crystal  of  NaI  to  which  a  small  amount  of  thallium  has  been  added  in  order  to  make  it  an  effective  scintillator.  The  cylindrical  NaI  (2  ½  x  1  ¾  inch  diameter)  is  hermetically  encased  in  an  aluminum  cup  with  a  glass  window  on  one  end.  The  glass  window  of  the  detector  is  mounted  on  the  face  of  a  10-­‐stage  photo-­‐multiplier  tube.         Gamma  rays  entering  the  NaI  detector  will  interact  by  either  the  photoelectric  or  Compton  process.  Gamma  rays  with  energy  greater  than  1.02  MeV  can  also  produce  an  electron-­‐position  pair.         The  photoelectric  process  results  in  the  gamma  ray  imparting  essentially  all  of  its  energy  to  one  of  the  bound  electrons  in  the  crystal.  The  Compton  process  is  assumed  to  occur  on  a  free  electron,  and  as  we  have  just  seen,  results  in  only  a  fraction  of  the  gamma-­‐ray  energy  being  carried  off  by  an  electron.  Electrons  from  either  process  will  quickly  lose  their  energy  in  the  crystal  by  causing  ionizing  events  with  the  atoms  of  the  crystal  with  the  

Page 5: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

5  

net  effect  that  photons  in  the  visible  region  will  be  produced  in  the  de-­‐exitation  of  the  atoms.  The  number  of  visible  photons  produced  is  directly  proportional  to  the  energy  deposited  by  a  gamma  ray  in  the  crystal.  The  photons  are  reflected  by  a  coating  of  MgO  surrounding  the  crystal  except  for  the  end  covered  by  the  glass  window  and  many  of  them  enter  the  photomultiplier.  

 Figure  4  Gamma-­‐ray  detection  and  counting  equipment,  configured  for  parts  one  and  two.  Event  (a)  is  a  Compton  scattering  event  and  event  (b)  is  a  photoelectric  process.       The  photons  entering  the  photomultiplier  will  strike  a  photocathode  surface  present  on  the  inside  face  of  the  phototube.  Low  energy  electrons  will  be  ejected  from  the  photocathode  and  some  of  them  will  be  incident  on  the  first  dynode  of  the  tube.  The  dynode  provides  amplification  of  the  number  of  electrons  by  the  secondary  emission  process  (more  electrons  are  emitted  than  are  incident  on  a  given  dynode).  The  number  of  electrons  is  increased  by  nice  successive  dynode  stages  and  finally  the  electrons  are  collected  on  the  anode  where  a  reasonably  large  voltage  pulse  will  result.  The  amplitude  of  the  voltage  pulse  will  again  be  directly  proportional  to  the  energy  deposited  in  the  NaI.      

Page 6: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

6  

  After  going  through  a  preamplifier  at  the  tube  base,  the  voltage  pulse  is  carried  via  a  cable  to  the  scaler  on  a  table  outside  of  the  room  where  the  Compton  scattering  experiment  is  located.    Procedure:  Part  1    

1. Energy  of  the  Unscattered  Gamma  Ray  The  radioactive  source  used  in  this  part  of  the  experiment  is  137Cs.  It  has  a  half  life  of  about  30  years  and  emits  a  gamma  ray  with  an  energy  of  0.662  MeV.  Before  attempting  to  measure  the  energy  of  the  Compton  scattered  gamma  rays,  an  absorption  measurement  will  be  made  of  the  direct  or  unscattered  gamma  ray  in  order  to  become  familiar  with  the  techniques.  

 a. The  AC  and  DC  power  should  be  turned  on  for  the  two  power  supplies  in  the  

room  with  the  scattering  experiment.  The  high  voltage  for  the  photomultiplier  should  be  +850  volts.  No  adjustment  of  either  power  supply  should  be  necessary.  A  small  lead  source  holder  and  collimator  is  available  and  this  should  be  placed  6  to  8  inches  from  the  NaI  detector  with  the  collimation  hole  aimed  directly  at  the  detector.  No  cylindrical  lead  absorbers  should  be  present  around  the  detector  for  this  part  of  the  experiment.    

b. Remove  the  137Cs  source  from  the  lead  brick  on  the  floor  where  it  is  stored  and  insert  it  into  the  lead  collimator.  Care  should  be  taken  to  minimize  your  exposure  to  the  137Cs  source.  Always  handle  it  by  the  opposite  end  of  the  rod  to  which  it  is  attached.  Do  not  stay  in  the  room  while  you  are  taking  data.  None  of  the  small  rectangular  lead  absorbers  are  needed  at  this  point.    

c. Go  outside  the  room  and  turn  on  the  AC  power  to  the  scaler  (the  switch  is  located  on  the  upper  left  hand  side  on  the  back)  and  the  oscilloscope.  Oscilloscope  control  positions  should  be  set  as  specified  in  the  Addendum  to  the  Compton  Effect  posted  with  the  apparatus.  Appropriate  settings  for  the  oscilloscope  voltage  display  are  obtained  by  rotating  the  gray  CH  1  VOLTS/DIV  knob  to  “0.2-­‐0.5  Volts/Div”.  This  value  should  lie  back  opposite  the  notation  “1X  PROBE”  on  the  front  panel.  For  best  time  display,  the  black  brackets  on  the  gray  A  and  B  TIME/DIV  knob  should  straddle  (select)  the  “2-­‐5  !s”  value.  It  is  instructive  to  observe  the  pulses  coming  from  the  NaI  detector  on  channel  one  of  the  oscilloscope,  prior  to  taking  data.  With  correct  settings,  the  pulses  should  appear  on  the  oscilloscope  as  depicted  in  Fig.  (5).  The  abundant,  heavy  trace,  large  pulses  correspond  to  all  of  the  energy  of  the  gamma  ray  being  left  in  the  NaI  crystal.  Determine  the  amplitude  (in  volts)  of  these  large  pulses.  The  spread  of  smaller  pulses  beneath  the  full  energy  pulse  corresponds  to  Compton  processes  where  the  scattered  gamma  ray  escapes  the  crystal.    

Page 7: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

7  

d. With  no  absorbers  in  place,  use  the  scaler  to  determine  the  counting  rate.  Enough  time  should  be  allotted  to  accumulate  at  least  10,000  counts  so  that  the  statistical  (random)  error  is  no  larger  than  about  1%.  Because  the  counting  rates  are  so  high,  10,000  counts  can  be  obtained  in  about  one  second.  Measurements  should  then  be  carried  out  with  1,  2,  3…  absorbers  in  the  notches  provided  in  the  lead  collimator,  until  finally  all  10  absorbers  are  in  place,  to  acquire  a  reasonable  number  of  counts.  A  background  measurement  should  then  be  made  with  the  137Cs  source  in  the  lead  storage  pig  on  the  floor.  

 

 Figure  5.  Oscilloscope  display  of  the  photomultiplier  pulses  caused  by  incarceration  of  gamma  rays  with  NaI  crystal    

e. Correct  the  total  counting  rate  by  subtracting  the  average  background  count  from  each  of  the  eleven  total  counts  previously  obtained.  Then  plot  an  absorption  curve  consisting  of  the  natural  log  of  the  corrected  counts  per  second  plotted  against  absorber  thickness  !  in  g/cm2  (see  page  4  for  the  definition  of  !).  !  has  a  value  of  1.79  g/cm2  for  each  flat  absorber.  The  plot  can  be  made  on  the  computer  by  use  of  the  Mathcad  “Wlinfit”  weighted  linear  least  squares  fitting  program.  Wlinfit  is  available  on  the  desktop  of  the  lab  PC’s  in  the  “Scratch”  file.  There  is  also  a  Mathematica  file  in  the  “Scratch”  folder  that  will  do  the  same  thing  in  Mathematica.      

f. Extract  half  the  half-­‐thickness  !!/!  using  your  Wlinfit  regression  program  summary  that  gives  the  slope  and  intercept  values  and  their  uncertainties.  

Page 8: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

8  

The  half-­‐thickness  is  the  absorber  thickness  required  to  reduce  the  counting  rate  by  ½  its  initial  value.    Note  that  !!/! = ln(2)/!,  where  !  is  the  slope  from  Wlinfit.  Since  ! =ln(2)/!!/!,  then  !  =  !.    

g. With  the  use  of  Fig.  6  where  the  mass  absorption  coefficient  for  the  lead  is  plotted  as  a  function  of  gamma  ray  energy,  determine  the  energy  of  the  137Cs  gamma  ray  from  your  value  of  !.  Compare  your  result  with  the  known  value  of  0.662  MeV.  One  can  graphically  determine  the  uncertainty  in  the  value  of  !  (and  therefore  energy)  by  drawing  lines  on  your  absorption  curve  that  represent  extreme  fits  to  the  data.      

Page 9: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

9  

               

Page 10: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

10  

Procedure:  Part  2    

1. Energy  of  the  Scattered  Gamma  Rays  For  this  part  of  the  experiment,  the  137Cs  source  should  be  inserted  in  the  source  holder  on  the  end  of  the  Compton  scattering  table.  The  cylindrical  lead  absorbers  that  are  to  be  used  fit  directly  around  the  NaI  scintillation  detector.  There  are  photographs  available  near  the  apparatus  that  show  the  suggested  arrangement  for  the  lead  bricks  around  the  source  and  detector.  

 a. Background  is  taken  for  the  69°  and  90°  scattering  measurements  by  having  

the  source  in  place  but  the  scatterers  removed.  This  configuration  will  allow  all  radiation  that  reaches  the  detector  but  which  does  not  comes  from  the  scatterers  to  be  subtracted  as  background.  The  best  data  is  obtained  if  both  background  and  total  counts  are  taken  for  each  of  the  four  configurations  of  absorbers  shown  below.  The  suggested  counting  times  are:  

     Number  of  Absorbers   Counting  Time  

1   20  sec  3   50  sec  5   60  sec  7   5  min  

   b. Repeat  the  measurements  discussed  in  Part  1a.  first  with  the  69°  and  then  

the  90°  scattering  by  using  “Wlinfit”  or  its  equivalent.  Then  determine  the  absorption  coefficient,  !,  for  each  angle  plotted,  followed  by  their  energies  from  Fig.  6  in  the  fashion  described  previously.  Graphically  estimate  the  uncertainty  in  your  two  energy  measurements  from  your  absorption  curve.  For  both  scattering  angles,  first  69°  and  then  90°,  and  with  no  cylindrical  absorber  in  place,  observe  the  pulses  in  the  Compton  band  on  the  oscilloscope  and  try  to  estimate  their  height  in  volts.  These  consist  of  the  most  intense  pulses  of  greatest  amplitude.  How  do  these  maximum  pulse  heights  compare  to  those  observed  with  the  unscattered  gamma  ray?  Estimate  the  energies  in  MeV  of  the  scattered  radiation  for  both  scattering  angles,  based  on  the  maximum  pulse  height  read  for  the  137Cs  gamma  ray  that  corresponds  to  0.662  MeV.  

 c. Comparison  of  experimental  results  with  theory  

Using  Eq.  (8),  calculate  the  energy  of  the  scattered  gamma  ray  !!,  with  ! =  0.662  MeV.  Do  this  first  with  !  =  69°,  and  the  second  with  !  =  90°.  Compare  the  expected  values  of  !!  with  your  measured  values  and  discuss  any  discrepancies.  From  a  linear  plot  1/!!  versus  (1− cos!)  for  the  three  angles  0°,  69°,  and  90°,  find  the  value  of  !!!!  and  compare  it  with  the  established  value  of  0.511  MeV.  

     

Page 11: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

11  

Procedure:  Part  3      

1. Determination  of  Energy  of  the  Scattered  Gamma  Rays  Using  a  Pulse  Height  Analyzer  A  pulse  height  analyzer  is  a  special-­‐purpose  computer  that  sorts  and  counts  pulses.  The  amplitude  of  each  incoming  pulse  is  measured  and  is  then  converted  to  a  digital  value  that  is  stored  in  a  memory  register  location  that  is  a  part  of  a  larger  (16385  channel)  memory.  Since  the  voltage  amplitude  of  each  pulse  is  proportional  to  the  energy  of  the  photon  that  produced  it,  the  PHA,  in  effect,  assigns  energy  to  channels  in  memory,  in  the  order  of  ascending  energy.  This  can  be  described  algebraically  by  the  equation  E  =  mC  +  Eo,  where  E  is  energy  and  C  is  a  corresponding  channel  number.  It  is  in  the  general  form  y  =  mx  +  B,  thus  E0  is  the  intercept  value  of  energy  and  m  the  slope  of  this  linear  relation  between  energy  and  channel  location  in  the  computer.  

 In  operation,  pulses  go  from  the  NaI  detector  into  a  photo-­‐multiplier  tube,  through  an  amplifier,  and  then  into  the  PHA  (see  Fig.  7).  The  PHA  then  stores  them  over  time  and  constructs  a  frequency  distribution  of  the  incoming  pulses  plotted  against  channel  number.  It  then  displays  the  distribution  as  a  histogram  on  the  computer  screen  with  total  counts  per  channel  on  the  y-­‐axis  and  channel  numbers  on  the  x-­‐axis.    If  the  pulses  resulting  from  a  137Cs  gamma  ray  are  sorted  according  to  their  height,  a  spectrum  will  be  obtained  similar  to  the  one  shown  in  Fig.  8.  In  Fig.  8,  the  peak  on  the  right  is  the  full  energy  peak  and  corresponds  to  the  0.662  MeV  gamma  ray  having  a  photoelectric  event  in  the  crystal  or  a  Compton  event  where  the  scattered  photon  is  also  stopped  in  the  crystal.  This  full  energy  or  photoelectric  peak  is  a  useful  calibration  marker  for  measuring  the  energy  of  unknown  gamma  rays.  The  rather  flat  bump  to  the  left  of  the  full  energy  peak  corresponds  mostly  to  Compton  events  in  the  crystal  where  various  amounts  of  energy  escape  from  the  crystal.  The  small  peak  at  the  far  left  is  the  photo-­‐peak  of  a  32  keV  x-­‐ray  that  also  comes  from  the  137Cs  radioactive  decay.  

 

Page 12: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

12  

 Figure  7    Gamma-­‐ray  detection  and  counting  equipment,  configured  for  Part  3.  The  event  marked  (a)  is  a  Compton  scattering  event  and  the  event  marked  (b)  is  a  photoelectric  process.    

Page 13: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

13  

 Figure  8:  A  Pulse  Height  Spectrum  for  a  137Cs  Source    

2. Energy  Calibration  of  the  Scintillation  Detector    

a. The  AC  and  DC  power  should  be  turned  on  for  the  two  power  supplies  in  the  room  with  the  scattering  equipment.  The  high  voltage  for  the  photomultiplier  should  be  set  to  +850  volts.  On  the  table  outside  the  room,  turn  on  the  power  for  the  instruments  contained  in  the  PORTABLE  BIN/POWER  SUPPLY.  This  switch  is  located  on  the  BIN’s  upper  left-­‐hand  corner  on  the  back.  Your  lab  instructor  or  the  lab  coordinator  will  provide  you  with  three  small  plastic  calibration  sources  of  137Cs,  22Na,  and  60Co.  They  will  also  help  you  to  set  up  the  computer  so  it  is  ready  for  use  in  obtaining  pulse  height  spectra.  Place  the  small  plastic  137Cs  source  in  the  NaI  detector.    

b. The  oscilloscope  should  now  show  the  pulses  from  the  137Cs  source  as  is  shown  in  Fig.  5.  The  abundant  large  pulses  correspond  to  the  full  energy  peak  (0.662  MeV)  and  the  enhanced  pulses  near  the  baseline,  the  x-­‐ray  line  at  32  keV.  

 c. To  display  energy  distributions  on  the  computer  screen,  proceed  as  follows:  

 i. Turn  power  on  to  both  the  Dell  PC  and  its  monitor.      

Page 14: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

14  

ii. When  the  Windows  Logon  window  appears,  type  “phys2150”  in  the  password  box  and  then  press  ENTER.  The  computer  will  boot  to  Windows  XP  desktop.  

 iii. Now,  click  the  following  buttons  in  order:  START    ALL  PROGRAMS  

 GENIE  2000    GAMMA  ACQUISTION  AND  ANALYSIS.  The  Acquisition  window  will  open.  Click  FILE    OPEN  DATA  SOURCE.  Now  click  the  DETECTOR  button.  A  red  and  yellow  radiation  symbol  labeled  “Detector  MP2_MCA1”  will  appear  in  this  window.  Click  CLEAR    START,  and  you  will  see  that  energy  peaks  begin  developing  across  the  bottom  of  black  display  screen.  

 iv. The  scroll  bar  on  the  right  side  of  the  display  screen  allows  one  to  set  

the  heights  of  peaks  thus  displayed.  Move  it  up  or  down  for  best  display  of  heights  of  energy  histograms.  

 d. The  notations  “Channel”  (in  memory)  and  “Counts”  are  displayed  in  blue  at  

the  top  of  the  energy  display  window.  To  determine  total  counts  in  a  given  channel  for  a  histogram,  click  anywhere  in  it  with  the  mouse  pointer.  This  will  select  a  single  memory  location  and  a  white  marker  will  appear  in  the  site  selected.  The  channel  number  and  total  counts  in  this  particular  location  will  be  given  at  the  top.  Pressing  the  left  and  right  keys  on  the  keyboard  will  cause  the  marker  to  scan  across  the  screen  to  any  of  the  16384  memory  locations.    

e. In  general,  to  produce  energy  peak  histograms,  click  STOP    CLEAR    START,  and  then  wait  as  long  as  is  reasonably  possible  for  peaks  to  develop.  Move  the  marker  to  the  center  of  peaks  of  interest  and  record  channel  number  and  observed  counts.  Counting  precision  depends  on  having  counts  as  high  as  possible.  Place  the  137Cs  source  on  top  of  the  NaI  detector.  

 f. Follow  the  steps  given  previously  to  determine  the  appropriate  channel  

numbers  for  the  137Cs  source.  Then,  remove  the  137Cs  source  from  the  NaI  crystal  detector  and  repeat  this  procedure  for  the  22Na  source,  placed  on  top  of  the  detector.  Two  prominent  gamma  energies  are  produced  by  the  22Na  source:  a  0.511  MeV  line,  caused  by  positron-­‐electron  annihilation.  That  produces  two  quanta  each  of  0.511  MeV.  The  second  line  is  a  1.28  MeV  gamma.  Remove  the  22Na  source  and  replace  it  with  the  60Co  source.  This  produces  two  high-­‐energy  peaks  of  interest  in  this  experiment.  They  are  1.17  MeV  and  1.33  MeV.  Because  each  separate  peak  is  hard  to  distinguish,  their  channel  numbers  can  be  determined  and  the  channel  numbers  averaged,  and  the  average  60Co  energy  and  corresponding  average  channel  number  can  be  used  in  calibration.  

 g. Make  a  calibration  graph  of  the  energy  (in  MeV)  of  all  the  data  you  have  

taken.  That  is,  plot  energy  in  MeV  against  corresponding  channel  number  for  

Page 15: Experiment 6 1 The Compton Effect Physics 2150 Experiment No. 6

Experiment  6        

15  

the  three  sources.  Also  use  the  Linfit  or  an  equivalent  liner  least  squares  fitting  program  and  your  data  to  determine  the  slope  and  intercept  of  the  line  ! = !" + !!.  

 3. Determination  of  the  Energy  of  the  Scattered  Gamma  Ray  

 a. Remove  the  strong  137Cs  source  from  the  lead  shielding  blocks  on  the  floor  

and  insert  it  into  the  hole  in  the  lead  brick  mounted  on  the  left  end  of  the  scattering  apparatus  table.  Put  the  90°  aluminum  scatterers  in  their  appropriate  slots.  Run  the  Acquisition  program  long  enough  to  establish  a  well-­‐defined  peak  and  record  its  channel  number.    

b. Repeat  the  process  with  the  69°  scatterers  in  place.    

c. Using  your  calibration  graph  (from  1g.  above)  and  the  computer  best-­‐fit  line,  determine  the  energy  of  the  Compton  scattered  gamma  rays  and  estimate  the  uncertainty  in  their  energies.  

 d. Compare  the  expected  values  previously  obtained  using  Eq.  (8)  with  your  

experimental  values  and  discuss  any  discrepancies.                


Top Related