Измерения и их обработка

1. Ознакомьтесь с описанием телескопа, которое приведено в описании предыдущих лабораторных работ.

2. Подготовьте установку к измерениям. Включить кнопку “Сеть”, дать прогреться 5 мин. Нажмите кнопку “Сброс”, при этом во всех разрядах индикаторов должны высветиться нули.

3. Выставьте свинцовые пластины между рядов параллельно включенных счетчиков Гейгера – Мюллера.

4. Выставьте время измерения (15 мин.) кнопками “Установка”, “+”, “-”. Перейти в режим “Измерение”, снова нажав кнопку “Установка”.

5. Проведите измерение для вертикально падающих лучей ( = 0). Для этого нажать кнопки “Сброс”, “Пуск” и дождаться окончания счета.

6. Проведите аналогичные измерения счета совпадений для углов  = 15^о, 30^о, 45^о за то же самое время не забывая каждый раз выставлять свинцовые пластины между рядов параллельно включенных счетчиков Гейгера – Мюллера.

7. С помощью формулы (5) рассчитате значение времени жизни мюона для каждой ориентации телескопа.

8. Оцените стандартную погрешность измерения интенсивности.

Контрольные вопросы

1.Что такое первичное и вторичное космическое излучение?

2.Что входит в состав вторичного космического излучения?

3.Каковы компоненты первичного космического излучения?

4.В каких процессах появляется мюонная компонента в космических лучах?

Лабораторная работа Изучение сцинтилляционного гамма спектрометра

Изучаемые разделы дисциплины Физика: естественная радиоактивность, законы радиоактивного распада, методы регистрации ядерных излучений.

Цель работы: изучение работы сцинтилляционного счетчика ядерных излучений. Исследование гамма спектров радиоактивных элементов.

Используемое оборудование: лабораторный сцинтилляционный гамма спектрометр на основе кристалла NaI с программным обеспечением.

Краткая теория

Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α- или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-кванты невысокой энергии (E_γ < 0,5 Мэв). Энергия γ-квантов испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв.

В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Такой радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.

Экспериментально энергия γ-квантов определяется по вторичному излучению, возникающему при взаимодействии γ-кванта с веществом. При прохождении гамма-излучения через вещество вследствие взаимодействия γ -квантов с атомами веществ происходит ослабление интенсивности пучка. В диапазоне энергий радиоактивных препаратов 0.05-3 МэВ основными являются следующие три процесса взаимодействия фотонов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование электронно-позитронной пары.

Сцинтилляционный метод основан на том, что при прохождении заряженных частиц через вещество происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул вещества. Слабые световые вспышки, сопровождающие эти процессы, могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой светочувствительностью.

В сцинтилляторе при прохождении ионизирующей частицы возникает слабая световая вспышка, которая в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) преобразуется в электрический импульс. На внутреннюю поверхность стеклянного торца ФЭУ нанесен полупрозрачный сурьмяно-цезиевый слой, служащий фотокатодом. Фотоны световой вспышки, возникающей в сцинтилляторе под действием заряженных частиц от источника, попадают на фотокатод и вырывают из него фотоэлектроны (рис. 1).

Рис. 1

Фотоэлектроны проходят через фокусирующую диафрагму и разгоняются электрическим полем, существующим между умножающими электродами (динодами). Для питания ФЭУ используется источник высокого стабилизированного напряжения. Если энергия падающего электрона в несколько раз превосходит работу выхода динода, то возможно выбивание вторичных электронов. Этот процесс умножения числа электронов в ФЭУ называется вторичной электронной эмиссией. Количественной характеристикой процесса умножения является коэффициент вторичной эмиссии, равный отношению числа выбитых из динода электронов к числу электронов, падающих на его поверхность. Коэффициент умножения ФЭУ в сцинтилляционном детекторе обычно составляет 10⁵–10⁶.

Вещества, применяемые в качестве сцинтилляторов, характеризуются следующими параметрами: сцинтилляционной эффективностью, световым выходом, временем высвечивания, прозрачностью к собственному люминесцентному излучению и его спектром. В качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных детекторах применяются неорганические и органические кристаллы, органические жидкие сцинтилляторы и пластмассы, а также газовые сцинтилляторы – гелий, аргон, криптон, ксенон. Из неорганических кристаллов наибольшее распространение получили NаI, ΚI, СsI.

Основными преимуществами сцинтилляционных детекторов является высокое временное разрешение, линейная зависимость между величиной сигнала и поглощенной энергией излучения, возможность применения жидких детекторов любой формы и объема. Эффективность регистрации достигает 100 %. Недостатком метода является сложность и нестабильность ФЭУ, применяемого для усиления первичного эффекта.