WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Министерство образования и науки Российской Федерации УДК 539.14 ББК В38 Омский государственный университет И32 Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ 18.06.2004 г., протокол № 2 И32 Изучение методов регистрации ядерных излучений, снятие счетной характеристики и определение «мертвого времени» счетчика Гейгера–Мюллера: Описание лабораИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ торной работы по атомной и ядерной физике (для студентов III курса физического факультета ОмГУ) / Сост. Г.Ж. Худай- ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ, СНЯТИЕ бергенов. – Омск: Изд-во ОмГУ, 2004. – 16 с.

СЧЕТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ «МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ» Определены содержание, форма, объем и порядок проведения лабораторной работы. Включены необходимые теореСЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА – МЮЛЛЕРА тические сведения, даны методические рекомендации, обесОписание лабораторной работы печивающие ее выполнение, контрольные вопросы, а также по атомной и ядерной физике список рекомендуемой литературы.

Для студентов III курса физического факультета.

(для студентов III курса физического факультета ОмГУ) УДК 539.14 ББК В38 © Омский госуниверситет, 2004 Изд-во ОмГУ Омск 2004 В некоторых детекторах важную роль играют процессы возЛабораторная работа буждения и диссоциации молекул в сочетании с ионизацией. Эти ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ явления определяют возникновение люминесценции в сцинтилляциИЗЛУЧЕНИЙ, СНЯТИЕ СЧЕТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ онных счетчиках и образование скрытого изображения в фотограИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ «МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ» фических эмульсиях.

СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА – МЮЛЛЕРА Другим важным процессом взаимодействия излучения с детектором являются испускание черенковского излучения в счетЦель работы: изучение методов регистрации ядерных излучиках Черенкова и вторичная электронная эмиссия в электронных чений, снятие счетной характеристики и определение «мертвого умножителях.

времени» счетчика Гейгера – Мюллера.

Системы для регистрации делятся на импульсные и интегрирующие. Первые отличают сигналы от прохождения отдельной частиПриборы и материалы: электронно-счетное устройство, исцы, вторые измеряют некоторый средний эффект.

точник питания, источники -частиц, счетчик Гейгера – Мюллера.

Качество системы для регистрации излучения определяется следующими параметрами:

1) эффективностью – отношением числа зарегистрированМетоды регистрации ядерных излучений ных частиц к полному числу частиц, попавших в регистратор;

2) «мертвым временем» прибора – временем, в течение коПри регистрации радиоактивного излучения необходимо опторого прибор после регистрации им частицы не чувствителен к ределять энергию и заряд частиц, их массу и время жизни, магизлучению;

нитные и механические моменты, эффективные сечения различных 3) разрешающей способностью по энергии;

процессов, угловые распределения и прочие характеристики. Из4) разрешающей способностью по массам и зарядам;

меряя эти величины, можно получить ценную информацию о свойст5) такими факторами, как стоимость, сложность наладки и вах элементарных частиц, о структуре ядра и ядерных силах.

прочее.

Система для регистрации излучения состоит обычно из деВ настоящей работе далее рассмотрены лишь газонаполнентектора и измерительной аппаратуры. В детекторе происходит ные детекторы.

взаимодействие излучения с веществом. Измерительная аппаратура воспринимает сигнал с выхода детектора и позволяет произво1. Счетчики Гейгера – Мюллера.

дить измерения.

Ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетВ большинстве детекторов сигнал образуется за счет ионичики Гейгера – Мюллера представляют собой три типа довольно зации, которая создается в них заряженной частицей. К таким старых, но широко применяемых детекторов ядерного излучения.

детекторам относятся:

Счетчики Гейгера – Мюллера являются разновидностью газонапол1) ионизационные камеры;

ненных детекторов. В общем случае к детекторам в ядерной физике 2) пропорциональные счетчики;

относят приборы для регистрации, идентификации и установления 3) счетчики Гейгера – Мюллера;

характеристик заряженных или нейтральных частиц. Счетчики Гей4) кристаллические счетчики;

гера – Мюллера предназначены только лишь для регистрации -, 5) камера Вильсона -частицы и -квантов.

6) искровые камеры;

3 Конструктивно газоразрядный счетчик представляет собой гут возникнуть в любой области счетчика. Если трек умещается тонкостенную металлическую или стеклянную, покрытую с внут- внутри трубки счетчика, то число ионов пропорционально энергии ренней стороны слоем металла цилиндрическую камеру. Цилиндр частицы.

служит катодом. Анодом является тонкая (0,05...0,5 мм) металличе- Вторичная ионизация. Первичные электроны и положительская нить, расположенная по оси цилиндра. Счетчик заполнен спе- ные ионы движутся к электродам, разгоняясь электрическим полем.

циально подобранным газом, например аргоном, при давлении Электрическое поле внутри счетчика резко неоднородное. Оно 10...760 мм рт. ст. Между катодом и анодом за счет внешнего ис- очень велико в малой области вокруг анодной нити и небольшое в точника создается разность потенциалов 300–2500 В. В момент про- остальном пространстве счетчика, что является следствием асимхождения частицы в газе образуются ионы и электроны, замыкаю- метрии геометрии электродов. Электроны, движущиеся к анодущие цепь на участке между электродом и стенками. Снаружи цепь нити, попадают в область очень больших электрических полей (сиисточника замыкается через сопротивление R, зашунтированное ловые линии у нити сгущаются) и вблизи нити резко ускоряются. В конденсатором C. Традиционная схема включения счетчика Гейге- результате возникает вторичная ударная ионизация. Вновь выбитый ра – Мюллера в электрическую цепь показана на рис. 1. электрон успевает разогнаться и произвести новую ионизацию, следовательно, процесс носит лавинный характер. На один первичный электрон в лавине ударных ионизаций образуются до 103, а часто и C более, вторичных частиц. Рассмотренный выше лавинный процесс R имеет две особенности. Во-первых, любой первичный электрон вызывает лавину одной и той же величины. Это следует из того, что + к усилителю вторичная ионизация происходит в области порядка 10–1 мм около – нити, а первичные электроны образуются вне ее во всем объеме счетчика. Вторая особенность развития первичной лавины – малая длительность. Лавина развивается примерно за 10–8 с.



Повторные лавины как следствие первой лавины могут возникать в счетчике за счет двух различных механизмов. Первый механизм обусловлен быстро протекающими процессами. В начале развития лавины электроны возбуждают нейтральные молекулы, которые, возвращаясь в исходное состояние, испускают фотоны. Эти Рис. 1. Схема включения счетчика Гейгера – Мюллера фотоны выбивают из катода за счет явления фотоэффекта электроны, которые и являются родоначальниками новых лавин. Время Регистрируемая частица, проходящая через объем счетчика, развития этого процесса составляет около 10–6 с. Основной вклад в создает на выходе схемы электрический импульс отрицательной это время вносит дрейф фотоэлектрона от катода до области развиполярности, т. к. уменьшение сопротивления самого счетчика в мотия лавин около нити. Второй механизм образования повторных мент газового разряда, вызванного частицей, резко увеличивает налавин обусловлен более медленными процессами. Он состоит в том, пряжение на сопротивлении нагрузки.

что положительные ионы, доходя до катода, выбивают из него элекФизические процессы, происходящие в газоразрядных счеттроны в процессе нейтрализации, т. к. потенциал ионизации атомов чиках, можно разделить на три стадии.

газа, заполняющего счетчик, в несколько раз выше работы выхода Первичная ионизация. Она возникает вдоль траектории заряэлектрона из металла (4...5 эВ). Например, энергия ионизации аргоженной частицы, проходящей через счетчик. Первичные ионы мо 5 на равна 15,7 эВ. Длительность развития лавины, возникавшей та- зами (внутреннее гашение) разрешающее время меньше, но зато срок ким способом, обусловлена временем движения положительных их действия ограничен распадом многоатомных молекул (примерно ионов к катоду и имеет порядок 10–4 с. Таким образом, если два рас- 109 регистраций). Существуют, однако, счетчики с многоатомными смотренных выше механизма смогут вызывать повторные лавины добавками, имеющие неограниченный срок службы. Конструктивнеопределенно длительное время, то разряд в счетчике превращает- ные особенности счетчиков Гейгера – Мюллера определяются видом ся в самостоятельный. При самостоятельном разряде возникает про- регистрируемых частиц, в первую очередь их энергией и проникаюблема его гашения. Методы гашения самостоятельного разряда в щей способностью. Так, для регистрации -частиц с энергией, пресчетчиках делятся на радиотехнические и основанные на добавлевышающей 0,3…0,5 МэВ, применяются цилиндрические счетчики с нии в трубку многоатомных газов. В радиотехнических методах катодом из достаточно тонкого листа алюминия или нержавеющей разряд гасится снижением напряжения на электродах счетчика.

стали. Для регистрации -частиц используют торцевые счетчики.

Особенно эффективными является радиотехнические схемы с акОтверстие для входа частиц в таких счетчиках закрыто тонкой плативным гашением, в которых возникающий при разряде передний стинкой слюды или алюминиевой фольги. Металлическая анодная фронт импульса вызывает срабатывание быстродействующего элекнить одним концом впаивается в корпус счетчика, а другой ее конец тронного устройства, снимающего напряжение на счетчике. В счетрасполагается около входного окна. Для предотвращения самопрочики с внутренним гашением добавляет многоатомные газы, наприизвольного срабатывания счетчика за счет отекания зарядов с острия мер пары этилового спирта. Пары спирта поглощают фотоны с проволочки на ее свободном конце закрепляется бусинка из стекла.

энергиями, достаточными для выбивания фотоэлектронов из катода.

Для регистрации -частиц, обладающих малой проникающей споПри этом молекула спирта возбуждается и диссоциирует, но праксобностью, используются торцевые счетчики с тончайшей пленкой тически не испускает электронов. Поэтому повторные лавины за на входном окне. Для регистрации -частиц с малой энергией иссчет фотоэлектронов с катода возникнуть не могут. Подавляются пользуются счетчики открытого типа с давлением газа равным аттакже и повторные лавины за счет положительных ионов, которые, мосферному давлению. Недостаток таких счетчиков – высокое аноддвигаясь к катоду, сталкиваются с молекулами спирта. Потенциал ное напряжение (2000…3000 В) и зависимость режима работы от ионизации спирта (11,7 эВ) ниже ионизационного потенциала освлажности и температуры воздуха, наличия в них примесей.





новного газа аргона (15,7 эВ). При столкновении иона аргона с мо2. Эффективность счетчика.

лекулой спирта происходит переход электрона к иону аргона с иоЭффективностью счетчика называется отношение числа регинизацией молекулы спирта и нейтрализацией аргона. В результате стрируемых счетчиком частиц или квантов к полному числу проходо катода доходят только ионизированные молекулы спирта, котодящих через него частиц. Счетчики Гейгера – Мюллера не обладают рые при нейтрализации не выбивают электроны, а разваливаются.

100%-й эффективностью. Это обусловлено тем, что частица, проСчетчики с добавлением многоатомных газов называются самогашедшая через счетчик, может не создать даже одной пары ионов сящимися.

(либо ионы продиффундируют в нерабочую область). Тем не менее Счетчики Гейгера – Мюллера работают в режиме самостояэффективность счетчика к электронам может достигать высоких тельного разряда с гашением. Импульс напряжения, создаваемый значений (99 % и даже 99,9 %). Регистрация -лучей осуществляется этими счетчиками, достаточно велик (0,2…40 В) и не зависит через посредство быстрых электронов, образующихся при поглощеот энергии регистрируемой частицы. Следовательно, счетчики Гейнии или рассеянии -квантов в основном в стенках счетчика (незнагера – Мюллера только регистрируют частицу без измерения ее чительно в газе). Эффективность счетчика для -лучей зависит от энергии. Разрешающее время этих счетчиков довольно велико:

материала стенок (катода) и энергии -квантов. В области энергий 10–3...10–5 с. (в лучших до 10–7 с.). В счетчиках с многоатомными га0,1...1,5 МэВ, где электроны выбиваются из стенок катода главным 7 образом в результате комптон-эффекта, материал стенок счетчика Область 1 – малые значения U. Происходят два конкурируюмало влияет на эффективность, т. к. пробег электронов приблизи- щих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация тельно обратно пропорционален атомному номеру Z, а сечение эфионов в газовом объеме. При увеличении напряжения скорость иофекта Комптона пропорционально Z. В области больших энергий, нов увеличивается, что уменьшает вероятность рекомбинации.

где основным процессом поглощения -квантов является образова- Область 2. Практически все заряды, образованные в детектоние электронно-позитронных пар, выгодно изготовлять стенки ре, собираются на электродах. Этот участок кривой называют обласчетчика из материала с большим Z, т. к. сечение образования пар стью насыщения или «плато» счетной характеристики, число зарепропорционально Z2. Эффективность счетчиков для -лучей обычно гистрированных импульсов практически не зависит от напряжения, составляет около 1...3 %.

т. к. каждая ионизирующая частица, попадающая в объем счетчика, На рис. 2 представлена зависимость величины заряда Q, появвызывает электронно-ионную лавину и самостоятельный разряд в ляющегося на обкладках конденсатора (или амплитуды импульса) газе. В действительности «плато» имеет некоторый наклон, вызванот величины напряжения U при возникновении ложного разряда в ный ложными импульсами за счет неполного гашения, краевых эфкамере, когда проходит одна частица, причем постоянная времени фектов, образования тяжелых отрицательных ионов и т. д. Наличие собирания заряда на электродах камеры. Общую зависимость мож«плато» обеспечивает устойчивую работу счетчика Гейгера – Мюлно разбить на несколько областей, в которых процессы протекают лера. Рабочее напряжение выбирается на середине «плато». Хоронесколько различно.

шие счетчики имеют «плато» протяженностью 100–300 В с наклоном 5–7 % на 100 В.

QK Область 3. Электроны, созданные в первичном акте ионизации, ускоряются полем настолько, что становятся способными при столкновении с нейтральными атомами газа ионизировать их, т.е.

создается некоторое число вторичных ионов. Происходит газовое усиление. При этом количество заряда растет пропорционально первичной ионизации. В этой области работают пропорциональные счетчики. Коэффициент усиления достигает 107. В этой области 1 23 4 6 можно измерить энергию частицы.

Область 4. В этой области коэффициент газового усиления не постоянен, поэтому она носит название области ограниченной пропорциональности.

Область 5. В этой области заряд почти не зависит от первоначальной ионизации. За счет газового усиления заряд возрастает до величины ограниченной только характеристиками камеры и параметрами внешней цепи. Этот участок называют областью Гейгера – Мюллера, а приборы, работающие в этой области, – счетчиками U, B Гейгера – Мюллера.

Рис. 2. Зависимость величины заряда на обкладках конденсатора Область 6. Область непрерывного разряда.

при возникновении разряда в камере от величины приложенного напряжения (вольт-амперная характеристика) 9 3. Счетная характеристика.

имп n= D Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к элекмин тродам счетчика Гейгера – Мюллера для обеспечения нормального режима его работы, определяется путем снятия зависимости скорости счета от величины приложенного напряжения при постоянном числе частиц, попадающих в рабочий объем счетчика. Эта зависиB C мость называется счетной характеристикой. Ее вид показан на рисунке 3.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.