Expérience de laboratoire 4 : Diffusion Compton

Objectif :

1. Démontrez comment l'énergie à rayons gamma varie après la diffusion Compton.
2. Démontrez la gamme possible d'énergies de rayons gamma diffusés.

Équipement requis :

Aperçu théorique :

Énergie diffusée en fonction de l'angle

Comme nous l'avons vu dans l'expérience 1, avec la diffusion Compton, un photon d'énergie Eγ et de quantité de mouvement Eγ/c est diffusé de manière inélastique par un électron de masse m₀c². Une partie de l'énergie du photon est transférée à l'électron et le photon est diffusé selon un angle θ avec une énergie réduite Eγ′.

La formule de diffusion Compton peut être écrite comme :

Cette équation peut être réarrangée comme l'équation d'une ligne droite :

Dans cette expérience, Eγ est mesuré en fonction de θ pour des rayons gamma incidents de 662 keV provenant d'une source de ¹³⁷Cs. La figure 4-1 illustre la mise en place expérimentale où le détecteur est positionné à environ θ = 40 °.

Figure 4-1 : Source collimatée de ¹³⁷Cs et détecteurs NaI positionné sur la table de diffusion.

Remarque : Au cours de cette expérience, vous devez travailler en keV, où la masse de l'électron est de 511 keV/c².

La figure 4-2 présente les énergies attendues :

Figure 4-2 : L'énergie du photon diffusé par Compton en fonction de l'angle de diffusion pour une énergie initiale du photon de 662 keV.

Distribution angulaire

La probabilité de diffusion en fonction de l'angle est appelée section efficace différentielle. Pour la diffusion Compton, elle est donnée théoriquement par la formule de Klein-Nishina (les unités sont les mètres carrés par stéradian, m²/sr) :

Où :

R₀ = 2,82 x 10^-15 m, le rayon électronique classique, et pour ¹³⁷ Cs

La figure 4-3 présente un diagramme de la section efficace différentielle, dσ/dΩ. Les unités sont des granges par stéradian, b/sr, où 1 grange = 10 à^-28 m².

Figure 4-3 : La section efficace différentielle de la diffusion Compton pour une énergie de photon de 662 keV.

Guide de l'expérience 4 :

1. Utilisez le logiciel ProSpect pour relier au détecteur. Personnalisez les paramètres de l'analyseur multicanal et la tension de polarisation comme recommandé dans l'expérience 1. Assurez-vous que le détecteur est correctement calibré pour l'énergie.

2. Assurez-vous que le luminaire de source ¹³⁷ Cs collimaté est aligné à la marque 1800 et pointe vers le pilier de diffusion en aluminium. Au cours de cette expérience, gardez le luminaire de source fixe à cet emplacement. Attention : Faites attention à ce qui vous entoure. Ne faites pas pointer la source vers vous-même ou toute autre personne travaillant dans le laboratoire.

3.Placez le détecteur avec le blindage de détecteur collimaté sur la table de diffusion. En commençant par le marquage 00, orientez le détecteur ensemble vers le pilier de diffusion en aluminium. Acquérir un spectre jusqu'à ce qu'un pic perceptible soit visible. Remarque : Pour augmenter le taux de comptage, vous pouvez compléter cette expérience sans la fente de collimateur de détecteur supplémentaire. Pour une meilleure résolution angulaire, utilisez la fente de collimateur de détecteur dans l'orientation verticale et prolongez le temps de comptage jusqu'à ce que de bonnes statistiques soient obtenues.

4. Répétez l'étape 3 en déplaçant l'assemblage de détecteur à différents angles jusqu'à 1 600 degrés.

5. Pour chaque mesure, déterminez l'énergie centroïde du pic rétrodiffusé.

6. Dans un tableur, tracez l'énergie du pic rétrodiffusé en fonction de l'angle et comparez les résultats avec la figure 4-1.

7. Tracez l'inverse de l'énergie à rayons gamma rétrodiffusé (1/E′ ) en fonction de ( 1 - cos θ ). Utilisez le graphique et l'équation 4-1 pour déterminer l'énergie à rayons gamma d'origine et le reste de la masse de l'électron. Vérifiez que cela corresponde aux valeurs fournies ci-dessus.