Теоретические сведения. Муромский институт (филиал)

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

Имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых»

Кафедра: ФПМ

Дисциплина: Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.11

«ИССЛЕДОВАНИЕ СЧЕТЧИКОВ a И b ИЗЛУЧЕНИЙ»

Утверждена на методическом

семинаре кафедры ФПМ

____________Зав. кафедрой

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания

2. Не включать собранную схему, пока не изучите инструкцию по данной работе и не получите на это разрешение лаборанта или преподавателя

3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять схему под напряжением без присмотра

4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описания и инструкции

5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твердо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им

6. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и привести в порядок рабочее место

Лабораторная работа № 1. 11

«ИССЛЕДОВАНИЕ СЧЕТЧИКОВ a И b ИЗЛУЧЕНИЙ»

Цель работы:Изучение работы счетчиков радиоактивных излучений, исследование фоновой характеристики счетчика и экзоэлектронной эмиссии.

Приборы и принадлежности:счетчик Гейгера – Мюллера, источник напряжения, предусилитель, пересчетное устройство, вольтметр, секундомер.

Теоретические сведения

Естественная радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения атомных ядер одного химического элемента в ядра другого, сопровождающееся испусканием различных частиц и испусканием энергии.

Это явление было обнаружено в 1896 г. Беккерелем. Он установил, что урановая соль испускает лучи неизвестного типа, которые проходили через бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки, делала воздух проводником электричества. Излучение, открытое Беккерелем, стали называть радиоактивным.

Экспериментально было установлено, что радиоактивное излучение неоднородно и состоит из нескольких видов лучей: в магнитном поле узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента:

1. слабо отклоняемый пучок положительных α – лучей.

2. сильно отклоняемый пучок отрицательных β – лучей.

3. неотклоняемый пучок γ – лучей.

Исследование этих компонентов позволило выяснить их природу и основные свойства.

α – излучение представляет собой поток моноэнергетических ядер гелия . Эти лучи вызывают почернение фотопластинок, производят сильное ионизирующее действие при прохождении через газы и обладают относительно малой проникающей способностью.

Распад протекает по следующей схеме:

.

Буквой Х обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y – химический символ образующегося (дочернего) ядра.

β – излучение представляет собой поток быстрых электронов. Их энергия может достигать 10 МэВ, что соответствует скорости, близкой к скорости света. У них средняя проникающая способность. В случае распада ядра испускают поток позитронов – античастиц с зарядом, равным +е.

Существуют три разновидности β – распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом – позитрон, в третьем случае, называемом К – захватом (или электронным захватом), ядро поглощает один из электронов К – слоя атома (значительно реже происходит L – и М – захват, т.е. поглощение электрона из L – или М – слоя).

Первый вид распада (β^- - распад ) протекает по схеме:

.

Второй вид распада (β⁺ - распад) протекает по схеме:

.

Третий вид β – распада (К – захват или е – захват) протекает по следующей схеме:

.

γ – лучи представляют собой жесткое электромагнитное излучение с длиной волны, не превышающей 10^-11 м, т.е. 0,1 . Они испускаются дочерним ядром при переходе его из возбужденного в нормальное или менее возбужденное состояние. У них наибольшая из всех радиоактивных излучений проникающая способность, но относительно слабая способность к ионизации.

В основе экспериментальных методов наблюдения и регистрации радиоактивных излучений (α и β – частиц, γ – квантов) лежит их способность вызывать ионизацию атомов среды, в который они распространяются, почернение фотоэмульсии, а также явление некоторых веществ.

1. Метод сцинтилляций (вспышек) состоит в подсчете световых вспышек, возникающих на экране, покрытом специальным флуоресцирующим веществом, при попадании на экран α – частиц.

2. Метод толстых (ядерных) фотоэмульсий основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Толщину слоя эмульсии подбирают так, чтобы частица полностью затормозилась в слое фотоэмульсии (до 1 мм). По длине следа («трека») частицы можно судить о ее энергии, а поместив пластинку в сильное магнитное поле - и о заряде частицы (по искривлению треков). Преимуществом этого метода является его простота и документальность, т.к. след частицы на фотопластинке является неисчезающим и может быть подробно изучен впоследствии.

3. Камера Вильсона основана на свойстве пересыщенного водяного пара легко конденсироваться на цепочке ионов, образующихся вдоль траектории ионизирующей частицы.

Камера Вильсона (рис. 1) состоит из цилиндра с поршнем; верхняя часть поршня сделана из прозрачного материала. В камеру впрыскивается небольшое количество воды или спирта, и внутри нее образуется смесь паров и воздуха . При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется и охлаждается, поэтому воздух в камере оказывается перенасыщенным парами. Если воздух очищен от пылинок, то превращение избытка пара в жидкость затруднено из –за отсутствия центров конденсации. Однако если в этот момент через камеру пролетит частица, ионизирующая на своем пути молекулы воздуха, образованные ею ионы станут центрами конденсации, и след частицы будет отмечен нитью тумана, которую можно сфотографировать.

Рис. 1

4. Пузырьковая камера . В этом устройстве для визуализации траектории ионизирующей частицы используется обратное описанному в п.3 явление – т.е. превращение жидкости в пар (кипение). Объем камеры над поршнем заполняют легкокипящей жидкостью (например, жидким водородом). При резком движении поршня вниз и соответствующей температуре жидкость оказывается в перегретом состоянии. Если через такую жидкость пролетит ионизирующая частица. Образуемые ею ионы становятся центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара.

При движении в жидкости частица теряет больше энергии, чем в газе, поэтому пузырьковая камера удобнее камеры Вильсона при изучении частиц с высокой энергией.

5. Счетчики Черенкова применяют для счета частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде. При движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью, большей, чем скорость распространения света в этой среде, возникает излучение Вавилова – Черенкова, наблюдаемое внутри некоторого угла, который тем меньше, чем больше скорость частицы. Такое свечение можно наблюдать, например, в воде, используемом в ядерном реакторе. Таким образом счетчики Черенкова позволяют не только регистрировать радиоактивные частицы (при показателе преломления среды n = 1,5 регистрируются электроны с энергиями выше 0,18 МэВ, протоны с энергиями больше 320 МэВ и γ – кванты, создающие вторичные электроны, достаточно высоких энергий), но и идентифицировать их по скоростям и энергиям.

6. Счетчики Гейгера – Мюллера Наиболее распространенными счетчиками радиоактивных излучений являются счетчики Гейгера-Мюллера. Они относятся к числу газонаполненных детекторов, применяющихся для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: альфа и бета – частиц, гамма квантов, световых и рентгеновских квантов, частиц космического излучения. Благодаря хорошей чувствительности к различным видам радиоактивного излучения, высокой надежности и простоте изготовления они широко используются в радиометрической технике.

Качество счетчика и его рабочие характеристики определяются зависимостью между скоростью счета и напряжением, приложенным к электродам счетчика. Эта зависимость называется счетной характеристикой газоразрядного счетчика. Счетчики бывают двух типов: цилиндрические и торцевые. Первые (рис. 2) изготавливаются из тонкой металлической или металлизированной изнутри трубки 1 и металлической нити 2, натянутой вдоль оси внешней оболочки.

Нить служит анодом, трубка-катодом. У торцевого счетчика (рис. 3) металлизированный стеклянный корпус I является катодом, нить 2-анодом, а торец корпуса образует тонкое слюдяное окошко 3 толщиной 20-30 мкм. Конец нити 2 для предотвращения коронного разряда на острие закрыт стеклянной бусинкой. Ионизирующее излучение попадает в объем счетчика либо через боковую поверхность цилиндрического, либо через слюдяное окошко у торцевого счетчика.

Объем счетчика заполняется благородными газами: аргоном или неоном. Рабочее напряжение, подаваемое на счетчик, связано с давлением газа в объеме счетчика (обычно составляет 100-200мл. рт. ст.) Схема включения счетчика дана на рис. 4

Электроды счетчика Г-М, находящиеся под напряжением U₀, образуют газоразрядный промежуток с сильно неоднородным электрическим полем. Если напряжение U₀ является потенциалом зажигания (обычно U_раб = 500-1500 В), то любая заряженная частица, попадая в рабочий объем счетчика и образовавшая хотя бы пару ионов, вызовет в нем вспышку газового разряда, развитие которого происходит за время 10^-7 … 10^-6 с. Возникающий при этом во внешней электрической цепи импульс тока усиливается в усилителе У и регистрируется пересчетным устройством ПУ. Рассмотрим качественно процессы, происходящие в счетчике Г-М. Образовавшиеся в рабочем объеме счетчика ионы газа под действием электрического поля перемещаются к электродам. Если газ не электроотрицателен, то отрицательными зарядами будут только электроны. Двигаясь к аноду (нити счетчика), они попадут в область с большой напряженностью электрического поля и ускоряются до энергии, достаточной для возбуждения и ионизации атомов газов, с которыми они сталкиваются. Таким образом, каждый электрон на своем пути к аноду создает некоторое количество пар ионов и возбужденных атомов, т.е. действует так называемое газовое усиление, приводящее к лавине электронов. В то же время возбужденные атомы и молекулы газа высвечиваются, испуская фотоны, часть которых, попадая на катод счетчика, вырывают с его поверхности фотоэлектроны. Эти электроны, двигаясь от катода к аноду, ионизируют на своем пути нейтральные атомы, создают следующую лавину, а из катода вырывается фотонами новая партия электронов и т.д. Через разрядный промежуток счетчика за короткое время проходит последовательная серия электронных лавин.

Если каким-то образом разность потенциалов между электродами счетчика понизить и сделать на 1-3 В меньше, чем U₃, ток в счетчике станет неустойчивым и газовый разряд благодаря случайным флуктуациям оборвется. С этой целью в цепи счетчика (рис. 4) включают достаточно большое сопротивление (порядка 10⁸ – 10¹⁰ Ом), при котором значение тока в счетчике попадает в область неустойчивости. При выполнении этих условий вспышка газового разряда, вызванная попавшей в объем счетчика ионизирующей частицей, спустя некоторое время (около 10^-4 с) прекращается.

Высокоомное сопротивление в цепи счетчика требуется еще для того, чтобы замедлить возрастание напряжения между электродами и дать время для удаления положительных ионов из рабочего объема.

Гашения разряда в счетчике добиваются, добавляя к основному наполнителю другую смесь газов. Для этой цели используют пары спирта, этилен или галогены: хлор, бром, йод. Молекулы многоатомных газов поглощают фотоны, не испуская при этом электронов, а в качестве одноатомных добавок выбираются электроотрицательные газы-электроны легко захватываются такими атомами, образуя малоподвижные комплексы, которые уже не участвуют в разрядке.

Время продолжительности импульса в счетчике называется мертвым временем и определяет его разрешающую способность. Чем меньше мертвое время, тем большее число ионизирующих частиц может зарегистрировать счетчик в единицу времени.

Счетная характеристика счетчика ГМ приведена на рис. 5, она показывает зависимость скорости счета (при неизменных условиях облучения) от величины напряжения на электродах счетчика.

В области напряжений (от U_з до U_н) скорость счета резко возрастает с увеличением напряжения и наблюдается большой разброс в амплитудах, возникающих в счетчике электрических импульсов. Далее, в области 2 (от U_з до U_н) скорость счета практически не зависит от приложенного напряжения к счетчику. Это так называемое «плато» – рабочая часть счетной характеристики. Счетчики хорошего качества имеют плато протяженностью не менее 110В, а скорость счетчика в ее пределах изменяется не более чем на 3-5%. В области 3 при U>U_к появляются ложные импульсы, не связанные с регистрацией радиоактивного излучения, вследствие чего скорость счета начинает увеличиваться.

Рабочее напряжение счетчика выбирают на середине плато. Длина плато является индивидуальной характеристикой счетчика, поэтому для выбора рабочего напряжения необходимо снимать счетную характеристику.

При отсутствии источника исследуемого радиоактивного излучения счетчик может давать импульсы за счет частиц космического излучения и других случайных факторов. Скорость счета в этом случае называется фоном счетчика. Для снижения постороннего фона счетчик и исследуемый радиоактивный препарат экранируют, помещая их в свинцовый «домик». При малых значениях фонового излучения счетчик ГМ начинает регистрировать импульсы в области 3. Импульсы возникают за счет возможности ионизации имеющимися в газовой среде счетчика ионами и электронами. Начинается самостоятельный разряд в газе. При уменьшении величины напряжения на электродах счетчик продолжает регистрировать значительное число импульсов так называемой экзоэлектронной эмиссии, которая возникает в результате бомбардировки ионами и электронами газового разряда внутренних поверхностей счетчика.

Внутренние металлические поверхности счетчика покрыты хлоридами железа и хрома, чтобы металл не уменьшил концентрацию гасящей добавки (бром). Под действием ионной бомбардировки происходит десорбция и диссоциация поверхностных соединений.

Одновременно идут процессы образования галогенов , например:

Рис. 2

I

1 2 3

		Uн

Рис. 5

При этой реакции выделяется энергия, превышающая работу выхода электрона с данного участка поверхности. Эти электроны экзоэмиссии (экзоэлектроны) так же регистрируются счетчиком. Для снятия фоновой характеристики используется установка, функциональная схема которой приведена на рис. 6. Напряжение на электроды счетчика (1) подается с выпрямителя (2). Электрические импульсы, возникшие в счетчике, формируются в предусилителе (3) и регистрируются пересчетным устройством (4).

Рис. 6 Функциональная схема установки

Поиск по сайту: