Expérience de laboratoire 10 : Annihilation de positrons

Objectif :

1. Étudier le phénomène de l’annihilation de positrons.
2. Pour mesurer les deux photons de 511 keV qui sont émis en coïncidence réelle avec une séparation angulaire de 180°.

Équipement requis :

Aperçu théorique :

En général, les positrons sont produits par la désintégration β+ ou par la production de paires. Le positron est l'antiparticule de l'électron, ce qui signifie qu’il a la même masse, mais que sa charge et ses nombres quantiques sont opposés. Les positrons produits par la désintégration β+ ou par la production de paires vont ralentir dans le milieu dans lequel ils ont été créés jusqu’à ce que leur énergie soit suffisamment réduite pour permettre la formation d’un état de valence avec un électron. Cet état de valence est appelé positronium. Il est instable avec une durée de vie moyenne de 125 picosecondes et les positrons et les électrons s’annihilent. L'annihilation doit préserver la charge, l'énergie, le moment et tous les autres nombres quantiques. Un référentiel peut être conçu de telle sorte que le moment total soit nul. Dans ce système, le moment des photons produit par l’annihilation doit être nul. Par conséquent, les photons produits lors de l’annihilation de deux photons doivent être émis dans des directions opposées. La conservation de l'énergie et du moment nécessite que les deux photons aient la même énergie, la masse de l'électron ou 511 keV. Comme les électrons et les positrons ne sont pas complètement au repos, lorsque l’annihilation se produit, il peut y avoir un léger changement dans l’énergie et l’angle entre les deux photons. Cela peut être observé par l’augmentation de la LMH de photons d’annihilation de 511 keV par rapport à d’autres pics de rayons gamma d’énergies similaires.

Guide de l’expérience 10 :

Utilisation des détecteurs NaI 2" x 2"

1. Configurez les deux détecteurs NaI (l'un avec l'analyseur multicanal Osprey et l'autre avec le préamplificateur 2007P et le Lynx II DSA). Connectez les deux AMC au PC de mesure directement, ou via votre réseau local.

2. Configurez le blindage des détecteurs NaI autour de chaque détecteur. À l'aide du tableau de dispersion, supprimez la colonne de dispersion si présente. Placez les deux détecteurs sur le tableau de dispersion, à environ 16 pouces (400 mm) l'un de l'autre. Veillez à ce que l'axe de symétrie des deux détecteurs soit aligné l'un par rapport à l'autre, avec la position de la source. (Figure 10-1).

3. Localisez la source ²²Na sur la ligne centrale entre les deux détecteurs et à la moitié de la distance de séparation. L’angle sous tension par le collimateur est donné par l’équation suivante :

Où :
d est le diamètre de l'ouverture du collimateur.
L est la distance source-détecteur.

Figure 10-1 : Schéma de la mise en place pour l’expérience d’annihilation de positrons.

Calibration de l'énergie

1. Ouvrez le logiciel de spectrométrie gamma ProSpect et établissez la communication avec les deux AMC.

2. Sélectionnez les paramètres en haute tension dans l'onglet Détecteur du logiciel ProSpect pour appliquer la haute tension recommandée sur les deux détecteurs reliés aux analyseurs multicanaux.

3. Définissez le gain de conversion dans l'onglet Analyseur multicanal du logiciel ProSpect 2048 pour les unités Osprey et Lynx II.

4. Ajustez les paramètres de gain grossier et fin dans l'onglet Analyseur multicanaux du logiciel ProSpect sur les deux détecteurs afin que le photopeak soit proche du centre du spectre.

5. Cliquez sur Démarrer (en haut de l'affichage spectral) pour commencer à accumuler un spectre. Utilisez la durée de comptage tel qu'il y a au moins 10 000 comptages en photonique.

6. Pour chaque détecteur, effectuez une calibration de l'énergie en utilisant les pics de 511,0 et 1274,5 keV de ²²Na, en référence à l'expérience 1 si nécessaire.

7. Sauvegardez le spectre. Une fois que vous avez défini le gain et les coefficients de calibration de l'énergie, ne les modifiez pas, sinon vous modifiez la calibration.

Mesures de coïncidences en temps à l'aide du mode d’acquisition TLIST

1. Sur la page du logiciel ProSpect, définissez l'acquisition de données en mode TLISTE. Le mode TLIST permet de stocker les événements qui ont des informations sur l'énergie et le temps pour chaque événement.

2. Pour acquérir des données en mode TLIST, définissez les deux détecteurs comme indiqué dans le tableau 10-1.

Tableau 10-1 : Paramètres d'acquisition synchronisée en mode TLIST avec DSAS Lynx II et Osprey.

3. Une fois les deux appareils paramétrés comme décrit dans le tableau 10-1, assurez-vous de bien brancher la prise Sync BNC sur le panneau arrière Lynx II DSA (si nécessaire, ajoutez un terminateur de 50 ohm pour empêcher les reflets) à la voie d’entrée GPIO 1 de l’unité Osprey.

4. Sélectionnez Ctrl-Démarrer pour commencer l'acquisition simultanément sur les deux appareils.

5. Assurez-vous que les deux détecteurs passent en mode attente (arrière-plans bleus sur les vignettes de la source de données). Commutez rapidement le Lynx II DSA de l'Esclave au Maître B (avant que les 20 secondes de temporisation d'attente ne se soient écoulées).

6. Assurez-vous que les deux détecteurs commencent à acquérir des données (les données d'analyse d'amplitude des impulsions apparaissent sur l'affichage et les deux arrière-plans deviennent verts dans la vignette de la source de données).

7. Obtenez des données pendant environ 5 minutes et enregistrez-les.

8. Pour analyser les données de mode TLIST et voir les résultats de la mesure de coïncidences, utilisez le scanner de données ProSpect TLISTE. Suivez les étapes ci-dessous pour démarrer le scanner de données ProSpect.

9. Dans l'onglet Répertoires de recherche, identifiez le répertoire contenant les données TLIST acquises. Appuyez sur le bouton de démarrage pour commencer l'analyse.

10. Dans l'onglet Résultats de la numérisation, sélectionnez les acquisitions appropriées et définissez l'heure de début avec la Gamme de -6000 ns, la plage de temps maximale avec la gamme de 6 000 ns et les caisses de temps de 1000.

11. Dans l'onglet Analyse, sélectionnez les deux acquisitions à l'aide des onglets Appareil et Acq Start. Tracez l'énergie sur l'axe X et le temps sur l'axe Y pour observer le nombre de comptes coïncidents. Donnez des commentaires sur le graphique observé. Remarque : vous pouvez copier le graphique dans votre presse-papiers pour une analyse plus approfondie.

Dépendance angulaire des comptages de coïncidences

1. Localisez l'un des détecteurs NaI aux positions angulaires 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° et -5°, -10°, -15°, -20°, -25°, -30° par rapport à l'axe de symétrie de l'autre détecteur NaI. À chaque angle, répétez les étapes 19 à 28 comme indiqué ci-dessus, et enregistrez les coïncidences temporelles pour détecter le rayon gamma de 511 keV.

2. Déterminez la propagation de l'angle dans lequel une quantité significative de comptages coïncidents sont détectés. Tracez les deux coïncidences pour le rayon gamma de 511 keV en fonction de l'angle entre les deux détecteurs. Il faut noter que les comptes de coïncidence diminuent rapidement lorsque l'angle entre les deux détecteurs varie de 180° jusqu'à un pic net à ce point.

3. Utilisez l'équation 10-1 pour déterminer l'angle sous tension par le collimateur. Quelle est la différence avec la propagation angulaire observée à l'étape 2 ?