Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа №1-2.
Методы регистрации ядерных частиц.
I Цель работы:
1.1 Изучение методов регистрации ядерных частиц и -квантов .
1.2 Оценка достоинств и недостатков различных типов детекторов.
1.3 Знакомство с конструктивными элементами некоторых детекторов.
1.4 Экспериментальное определение рабочей характеристики счетчика Гейгера-Мюллера
и измерение его мертвого времени.
I I Приборы и оборудование.
Счетчик Гейгера-Мюллера, пузырьковая камера, ЛАТР, счетчик электрических импульсов, электронное устройство управления работой счетчика, секундомер, радиоактивные препараты.
III Теоретическая часть.
3.1 Общая характеристика детекторов ядерных частиц.
Ядерные частицы (,,,p,n…) из-за микроскопической природы нельзя наблюдать непосредственно. Поэтому для их регистрации, экспериментального измерения их характеристик, изучения процессов взаимодействия частиц с веществом необходимо изготовление специальных приборов, называемых детекторами ядерных частиц.
В этих приборах микрочастиц регистрируются не непосредственно, а по их вторичному воздействию на вещество, важнейшим из которых являются образование электронов и ионов (ионизация), возбуждение атомов среды, приводящих к свечению (люминесценция, излучения Черенкова-Вавилова), тепловые явления и т.д. Благодаря этим эффектам частицы могут быть зарегистрированы по появлению на выходе детектора электрических импульсов тока или напряжения, либо по почернению фотоэмульсии, образованию видимых капелек тумана в пересыщенном паре, изменению структуры вещества и т.д.
Достоинства детекторов определяются целым рядом параметров, важнейшими из которых являются:
Разумеется, можно в вести и другие, не менее важные параметры (эффективный объем детектора, чувствительность, управляемость, длительность и трудность обработки результатов, экономические
факторы и т. д.).
По характеру получаемой конечной информации о частицах детекторы можно условно разделить на два класса: детекторы дискретного счета и трековые (следовые) детекторы.
Рассмотрим качественно принцип действия этих детекторов, и остановимся более подробно на характеристиках счетчика Гейгера-Мюллера, изучаемый экспериментально в данной лабораторной работе.
3.2 Физические основы работы ядерных детекторов.
Постановка задачи. Методы регистрации заряженных ядерных частиц основаны на регистрации или измерении большого числа ионизированных ими атомов или молекул. Нейтральные частицы могут ионизовать лишь небольшое число частиц, передав им свою энергию. Возникшие при этом заряженные частицы регистрируются по их ионизирующей способности.
Потери регистрируемой частицей энергии на ионизацию практически не зависят от ее скорости и определяются в основном свойствами среды. Для создания одной пары ионов в воздухе требуется 32 эв для электронов (с энергией ~ 0,3 Мэв), 36,0 эв для протонов с энергией 2,57,5 Мэв; 36,1 и 36,5 для -частиц с энергией 7,8 и 5,3 Мэв соответственно. В более тяжелых газах энергия ионизации уменьшается, например, в криптоне для -частиц с энергией 5,3 Мэв I0=21,4 эв. Поэтому по числу возникших пар ионов можно судить об энергии и виде частицы. Электроны, освобожденные летящей частицей, называются первичными электронами, они обладают достаточной энергией для вторичной ионизации. Приведенные выше численные характеристики относятся к полной (усредненной) ионизации. Различие в методах регистрации ядерных частиц основано на различии принципов регистрации возникающих ионов и электронов.
Ионизационная камера. Возникшие в результате прохождения ядерной частицы ионы будут диффундировать.
Для регистрации их в ионизационной камере накладывается электрическое поле малой величины такой, чтобы набираемая ионами или электронами энергия на длине свободного пробега была меньше той, которая необходима для вторичной ионизации атомов или молекул газа, занимающего камеру. Ионизационные камеры могут быть цилиндрической формы (рис. 1), плоскими. Между внешним электродом и собирающим прикладывается некоторая разность потенциалов от батареи.
Рис.1
Если в камере образовались ионы, то в цепи потечет ток, который создает напряжение на сопротивлении . Это напряжение обычно подается на вход усилителя. Величина тока, текущего через сопротивление, зависит от разности потенциалов между электродами (рис. 3).
Начиная с некоторого U, ток достигнет насыщения,
когда все возникающие ионы регистрируются, их рекомбинация прекращается. Выбором конструкции камеры можно приспособить ее для регистрации частиц определенного сорта. Токи, возникающие в ионизационных камерах, обычно составляют величину порядка 1013а. Величина его пропорциональна энергии частиц. Напряжение на камере состав ляет 200—300 в.
Рис. 2
Счетчики ГейгераМюллера. Конструктивно счетчики ГейгераМюллера (рис.2) напоминают ионизационную камеру, но работают в таком режиме, что в них непосредственно происходит усиление ионизационного тока. Если увеличивать напряжение между электродами, то возникшие ионы будут ускоряться. Благодаря большому полю, они могут набрать большую энергию прежде, чем столкнутся с молекулами газа в счетчике.
Рис.3
Но в таком случае они приводят к образованию иона молекулы. Ускоряясь, эти два иона приведут к образованию четырех ионов и т. д., в газе развивается лавинная ионизация. Коэффициент газового усиления может достигать 108, его значение зависит от разности потенциалов между анодом и катодом. На (рис.3) приведена в относительных единицах вольтамперная характеристика счетчика.
От 0 до Vр счетчик работает как ионизационная камера. Величина области насыщения зависит от типа частиц. С ростом напряжения ток начинает расти пропорционально напряжению (область пропорциональности)/
Импульсы от разных частиц разные. Коэффициент усиления не зависит от числа первично возникших частиц. Поэтому импульсы напряжения (или тока), снимаемые со счетчика, будут пропорциональны числу первоначально возникших пар. Усиление может достигать при этом 107.
Начиная от , коэффициент усиления будет зависеть от числа первоначально возникших пар ионов. Усиление будет тем меньше, чем большей ионизацией обладает частица. Поэтому, начиная с Vg способность различать первичные частицы теряется импульсы от различных частиц одинаковы.
Начиная с Vn, в счетчике возникает непрерывный разряд, вследствие чего он теряет способность реагировать на новые частицы.
В момент лавинной ионизации счетчик также не может реагировать на новые частицы, поэтому возникший разряд должен быть погашен.
Это достигается различным образом. Счетчики ГейгераМюллера обычно работают в той области вольтамперной характеристики, в которой число импульсов почти не зависит от разности потенциалов между анодом и катодом (область «плато», которая может иметь ширину ~100в при 1000в напряжения с наклоном в несколько процентов).
Механизм работы несамогасящегося счетчика отличается от механизма работы самогасящегося счетчика.
Возникшие первичные ионы и электроны, ускоренные полем счетчика, приводят к вторичной ионизации и возбуждению атомов и молекул. Излучаемые ими фотоны приводят к фотоионизации других атомов или молекул и т.д. Разряд возникает во всем объеме счетчика. Положительные ионы, двигаясь к отрицательному центральному электроду, экранируют внешнее поле, способствуя затуханию лавинного разряда. Однако для его прекращения необходимо резко понизить напряжение на счетчике, что достигается различными электронными схемами. Простейший способ состоит в том, что в цепь отрицательного электрода включается большое сопротивление (108ом). Импульс тока приводит к импульсу напряжения на нем, который резко уменьшает поле между электродами, вследствие чего разряд гасится и счетчик готов к регистрации следующей частицы.
Самогасящиеся счетчики содержат, как правило, смесь благородного газа с многоатомными газами, например, смесь аргона с 10% этилового спирта при давлении 10 см рт.ст. Механизм его работы состоит в сле-дующем. Первичные ионы, ускоряясь, ионизуют и возбуждают атомы Аr и молекулы спирта. Фотоны, испускаемые Ar, имеющие не менее 11,5эв, интенсивно поглощаются парами спирта. Это приводит к возникновению разряда в объеме газа в основном вблизи центрального отрицательного электрода. Образовавшийся чехол положительных ионов резко ослабляет поле в той области, где оно было максимально. В результате взаимодействия аргона со спиртом вся энергия переходит к молекулам спирта, частично диссоциировавшим, имеющим энергию 4эв. Их приход на катод дает импульс тока, но они не вызывают выбивания электронов из катода (4эв). Разряд гаснет.
Время, необходимое для восстановления порогового значения поля, носит название «мертвого» времени, так как счетчик не реагирует на пролетающие частицы. Оно составляет 100 сек и определяется временем, в течение которого положительные ионы достигают катода. После прохождения мертвого времени счетчик фиксирует частицы, но импульсы тока малы. Время, по истечении которого импульсы тока достигают первоначального значения, называют восстановительным временем. Оно определяется временем полной деионизации газа и составляет 100 сек.
Эффективность счетчиков ГейгераМюллера. Эффективность счетчиков определяется отношением числа зарегистрированных импульсов к числу первичных частиц, пересекающих его рабочий объем при не слишком большой загрузке (чтобы исключить мертвое время). Она равна
,
где N0 среднее число пар ионов, создаваемых частицей в счетчике. Уже при N0=5, =99% и даже при N = 1 =63%.
Попадание тяжелых частиц, обладающих большой ионизационной способностью (-частиц, протонов), в объем счетчика приведет к их регистрации. Для регистрации -квантов, имеющих большой пробег в газах, используется их поглощение в стенках. Образованные ими фото- или комптон-электроны имеют эффективность, близкую к единице, так как они приводят к образованию ~4 пар ионов на 1 см пути в смеси при давлении ~100 см рт.ст. Эффективность счетчиков для -лучей с энергией в 13Мэв со стенками из свинца составляет 12%.
Кристаллические счетчики. Кристаллические счетчики представляют собой полупроводниковые материалы, используемые для регистрации частиц большой энергии. Если к полупроводниковому кристаллу с большой шириной запрещенной зоны подвести разность потенциалов, то в цепи тока не будет вследствие большого сопротивления такого полупроводника. Но если в полупроводник попадает частица большой энергии, то возникает большое число свободных носителей в зоне проводимости, и через счетчик протечет импульс тока, который создает импульс напряжения на внешнем сопротивлении. Величина импульса тока пропорциональна числу первично созданных электронов. Длительность импульса определяется временем собирания электронов и составляет величину 107сек.
Кристаллические счетчики обладают высокой эффективностью для у--квантов. В алмазе толщиной 2мм возникает 4,5102 комптоновских электронов на 1 -квант с энергией 1Мэв. В хлористом серебре возникает 6102 комптон-электронов на квант.
Для кристаллических счетчиков используются кристаллы хлористого серебра, галлоиды таллия, сульфиды цинка и кадмия, алмаз. Кристаллы CdS используются для регистрации рентгеновых лучей, германиевые приборы с pn-переходом используются для обнаружения отдельных -частиц. Для создания свободных носителей тока затрачивается энергия 410эв.
Сцинтилляционные счетчики. Идея метода состоит в том, что при прохождении ионизирующих частиц через некоторые вещества в них возбуждается флуоресценция. Вспышки света регистрируются визуально или с помощью фотоумножителя. Для этого сцинтеллирующий кристалл помещается перед входным окном фотоумножителя.
При прохождении одной ионизирующей частицы через антрацен создается около 6000 фотонов на 1Мэв потерянной энергии. Пропорциональность между потерянной энергией и величиной сцинтилляционного импульса наблюдается для электронов и протонов, несколько хуже для -частиц. Сцинтилляционные счетчики обладают большой разрешающей способностью во времени, так как время высвечивания составляет в используемых веществах 108сек. Эффективность органических сцинтилляционных счетчиков размером в 1см
для -квантов составляет около 10%, что во много раз больше эффективности обычного счетчика ГейгераМюллера. Для тяжелых неорганических веществ эффективность для -квантов возрастает до 100%. Простота конструкции, большая эффективность для -квантов, большое разрешение во времени, пропорциональность светового импульса обусловливают все растущее использование их для обнаружения частиц и измерения их характеристик. Для счетчиков используются йодистый натрий, нафталин, антрацен, стильбен и другие твердые и жидкие вещества.
Камера Вильсона. Камера Вильсона позволяет сделать путь частиц видимым. Принцип работы камеры состоит в следующем. Для конденсации пересыщенного пара необходимо наличие центров конденсации. Ими являются пылинки, скопления молекул (флуктуации плотности), положительные и отрицательные ионы. Следовательно, если через пересыщенный пар пропустить частицу большой энергии, на ионах, образовавшихся на ее пути, будет конденсироваться пар, образуются капельки, которые сделают путь частицы видимым. Для получения пересыщенного пара производят адиабатическое увеличение объема камеры, наполненного насыщенным паром, что приводит к понижению температуры газа и пара, и переходу насыщенного пара в пересыщенный. С этой целью используются пары воды, этилового и пропилового спиртов и некоторых других жидкостей. Время чувствительности камеры может меняться от 0,1 до нескольких секунд. Конструктивно камера Вильсона представляет полый цилиндр, закрытый с одной стороны плоской стеклянной пластиной, а с другой стороны подвижным поршнем или подвижным упруго закрепленным дном (рис.4). Образовавшиеся в камере следы частиц («трэки») фотографируются в рассеянном ими свете. Фотографирование проводится или двумя фотокамерами, или одной фотокамерой фотографируется трэк и его изображение в плоском зеркале. Получаемые стереоскопические снимки при промере позволяют точно измерять пространственные характеристики трэков. Для удаления остаточных ионов в объеме камеры создается слабое электрическое поле перед расширением.
Для измерения энергий легких частиц камера помещается в магнитное поле (по методу Скобельцына). По радиусу кривизны траектории можно вычислить импульс частицы
.
Диффузионные камеры. Для некоторых целей желательно получить камеру, которая имела бы чувствительность непрерывно. Это достигается в диффузионных камерах Вильсона. Принцип действия их состоит в том, что в камере создается градиент температуры: крышка имеет, температуру 3070°С. С ней соединяется мягкий материал, пропитанный применяемой жидкостью. Дно камеры покрыто слоем жидкости при(30°) (70°) С. В объеме камеры образуется область пересыщенного пара, имеющая непрерывно чувствительность к частицам.
Метод фотоэмульсий. Движение ионизирующей частицы в фотоэмульсии приводит к разложению галлоидного серебра эмульсии. Атомы, подвергшиеся воздействию движущейся частицы, являются центрами, делающими способными зерна к проявлению. Число зерен намного меньше числа пар ионов, но при не очень большой удельной ионизации плотность зерен, способных к проявлению, пропорциональна потере энергии. Ядерные эмульсии имеют более высокую концентрацию галлоидного серебра ( в 4 раза), чем оптические эмульсии, очень малые зерна (от 0,1 до 0,6), хорошо разделенные друг от друга, и толстые слои (от 25 до 2000). Чем мельче зерна серебра, тем большей ионизирующей способностью должна обладать регистрируемая частица. Выберем эмульсии можно выделять различные частицы. Они позволяют регистрировать осколки деления, -частицы, мезоны, электроны. Для измерения энергии по длине пробега пользуются известными соотношениями между пробегом и энергией, или калибруют эмульсии с помощью однотипного излучения с известной энергией частиц. Вид частицы может быть установлен по характеру траектории. Измерения пробега проводятся на микроскопе с большой точностью отсчетов, фотообработка ядерных эмульсий значительно отличается от обработки оптических эмульсий.
Пузырьковые камеры. Недостатком камеры Вильсона и диффузионной камеры является малая тормозная способность газов, а фотоэмульсии трудность их обработки. В то же время трэковые приборы имеют большое преимущество перед другими приборами регистрации. В 1952 г. Глэзер предложил пузырьковую камеру. Это сосуд, наполненный перегретой жидкостью. Ионизирующая частица, проходящая через камеры, вызывает ионизацию. Ионы являются центрами парообразования, и поэтому траектория частицы отмечается пузырьками газа. В качестве рабочей жидкости используются ксенон, этилен, пропан, фреоны, водород, гелий и другие жидкости или их смеси. Работа камеры сводится к следующим операциям. Температура камеры поддерживается постоянной. За некоторое время до прохождения исследуемых частиц срабатывает расширительное устройство, давление в камере падает до величины, значительно ниже давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. Жидкость оказывается перегретой и камера чувствительной к
Рис.5
ионизирующему излучению. Пропускается пучок исследуемых частиц, поджигаются осветительные лампы, производится фотографирование трэков.
Расширительное устройство повышает давление до первоначальной величины, пар конденсируется. После этого камера готова к новому циклу. Время чувствительности больших камер составляет сотые доли секунды. Пузырьковые камеры широко применяются при исследовании частиц больших энергий, для взаимодействия К-частиц с протонами, рассеяния π-мезонов на протонах, реакций типа π+р+К+ и других процессов (рис. 5).
Счетчики Черенкова. При движении заряженных частиц в веществе со скоростью v, большей, чем скорость света с/n в данном веществе, возникает свечение. называемое свечением Черенкова. Оно ограничено конусом с угловым раствором относительно направления движения частицы:
,
где п коэффициент преломления вещества. Изучение имеет непрерывный спектр с плотностью излучения:
.
Для стекла п=1,51 и =1, =51°. Излучение можно использовать для регистрации «сверхсветовых» частиц. Измерение угла раствора конуса позволяет определить скорость и энергию частицы с очень большой точностью, например, при регистрации протонов с энергией 320Мэв фотографическим методом их энергия определяется с точностью до 0,8Мэв.
3.3 Счетчик Гейгера-Мюллера.
На практике используется множество типов детекторов, поскольку приходится решать широкий класс исследовательских задач: определять полный поток частиц, их массу, заряд, скорость, энергию, распределение частиц в потоке по энергиям и т.д. В простейшем случае детектор только фиксирует факт прохождения через него некоторой частицы. К таким детекторам относится счетчик ГейгераМюллера.
Главная трудность в регистрации отдельной частицы в том, что ее воздействие на вещество детектора крайне мало и для его обнаружения требуется усилить микроскопический эффект, превратив его в макроскопический сигнал. В качестве
первичного воздействия в счетчике Гейгера-Мюллера используется ионизация газа регистрируемой частицей.
Рис.6
Конструктивно счетчик представляет собой тонкостенную стеклянную герметичную камеру цилиндрической формы (рис.6).
С внутренней стороны камера покрыта тонким слоем металла, который служит катодом.
Анодом служит тонкая металлическая нить, протянутая по оси цилиндра. Такая геометрия электродов приводит к тому, что электрическое поле очень велико в малой области вокруг анодной нити и мало в остальном пространстве внутри счетчика. Заряженная частица, пролетая в газе, ионизирует его (ударная ионизация), создавая положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых они также становятся способными производить ударную ионизацию, поэтому в ранее нейтральном газе возникает лавинный процесс образования заряженных частиц и по цепи проходит ток самостоятельный разряд. Для того, чтобы приготовить счетчик к восприятию новых частиц разряд надо погасить. Это достигается включением в цепь счетчика большого сопротивления R (рис.6). В момент проявления тока на этом сопротивлении возникает большое падение потенциала. В результате напряжение между катодом и анодом уменьшается настолько, что разряд прекращается и счетчик снова готов к работе. Регистрирующее устройство отмечает и запоминает, что по цепи прошел импульс тока. Своевременное быстрое гашение самостоятельного разряда достигается еще введением в счетчик специально подобранных газовых смесей.
Вполне очевидно, что если в счетчик попадают другие частицы, когда разряд в нем еще не погашен, то все они будут зафиксированы им как одна. Поэтому время , проходящее от появления в одной частице в счетчике до полного гашения вызванного ею разряда, называется «мертвым» временем счетчика. Физическая величина называется разрешающей способностью счетчика. Она показывает, при каком максимальном количестве частиц, влетающих в счетчик в единицу времени, они будут разрешены (зафиксированы) как отдельные частицы.
Детекторы описанной конструкции могут работать в различных режимах. Если разность потенциалов между катодом и анодом настолько мала, чтобы не возникло ударной ионизации, и достаточно велика, чтобы не наступила рекомбинация ионов, то, измерив суммарный заряд и число ионов, можно найти энергию пролетевшей частицы. Работающий в таком режиме (малое напряжение, нет ударной ионизации) прибор называется ионизационной камерой. С ростом напряжения на счетчике вблизи нити, где поле имеет наибольшую напряженность, начинается ударная ионизация, приводящая к процессу образования лавин. Каждая лавина протекает независимо от других, что обеспечивает пропорциональное усиление первичной ионизации независимо от ее величины. Таким образом, величина импульса оказывается пропорциональной энергии ионизирующей частицы. Поэтому счетчик, работающий в этом режиме, называют пропорциональным счетчиком. Необходимые для газового усиления большие напряженности полей, при сравнительно небольших, разностях потенциалов между электродами, обеспечиваются цилиндрической конструкцией счетчика.
При дальнейшем увеличении напряжения счетчик переходит в режим самостоятельного разряда, и величина заряда, созданного в процессе газового усиления, становится независимой от первичной ионизации. При этом теряется возможность определения величины энергии ионизирующей частицы. Задача счета частиц сильно облегчается, т.к. величина импульса даже при возникновении в счетчике одной пары ионов может достигать десятков вольт. Работающие именно в таком режиме детекторы называются счетчиками ГейгераМюллера.
Для определения напряжений, необходимых для обеспечения различных режимов работы детектора, экспериментально строят его рабочую характеристику график зависимости скорости счета частиц n от разности потенциалов между катодом и анодом при облучении детектора одним и тем же радиоактивным источником. Типичная характеристика имеет вид (рис.7): область АВ
Рис.7
соответствует режиму «ионизационная камера», область ВС пропорциональный счетчик, область СД счетчик ГейгераМюллера.
Влияние мертвого времени на результаты измерений сказывается в том, что число зарегистрированных частиц N счетчиком за время t меньше числа частиц N0, влетевших в счетчик за это же время, т.е. скорость счета частиц меньше число частиц, попавших в счетчик в единицу времени.
Записав очевидное равенство , получим или . Зная величину , постоянную для данного счетчика, можно уточнить экспериментально найденное число n.
Измерение проводится методом двух источников. Счетчик облучается одним потоком частиц Ф1, затем другим – Ф2, затем обоими вместе – Ф12=Ф1+Ф2. Если бы =0, то в последнем случае мы имели бы: n01,2=n01+n02. Если 0, то с учетом поправочной формулы (8), запишем:
.
Откуда в первом приближении получим:
, (9)
где скорость счета частиц при облучении каждым источником в отдельности.
Экспериментальная установка
Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис.8. Счетчик Гейгера-Мюллера укреплен в специальной кассете, в которой могут устанавливаться и исследуемые радиоактивные образцы.
Работа счетчика обеспечивается специальной электронной схемой управления, в которой могут быть предусмотрены элементы для уменьшения мертвого времени и для сопровождения каждого разряда звуковым и световым сигналами. Напряжение питания электронной схемы управления и самого счетчика может плавно регулироваться ЛАТРом. Счетчик электрических импульсов считает число разрядов в счетчике Гейгера-Мюллера.
Рис.8
Ход работы
2/. При каждом значении напряжения произвести 6 измерений по 1 мин.
3/. Рассчитать мертвое время детектора, работавшего в режиме счетчика Гейгера-Мюллера, методом двух источников, произведя 3 измерения по 1 минуте для каждого источника при определенном значении напряжения (заданном преподавателем).
Контрольные вопросы:
1.Указать основные типы детекторов ядерных частиц. Назвать их основные характеристики и принцип действия.
2.Объясните принцип действия и устройство счетчика Гейгера-Мюллера.
3.Что такое мертвое время счетчика? Как сказывается на результате измерений.
4.Как можно измерить ?
5.Объясните ход рабочей характеристики счетчика.
6.Объясните работу экспериментальной установки, использованной в работе.
Рис.4