|
|
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО АТОМНОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ. Практикум по физике (атомная и квантовая физика) Направление подготовки 010700 (510400) Физика
Первичная ионизация.
Она возникает вдоль траектории заряженной частицы, проходящей через счетчик. Первичные ионы могут возникать в любой области счетчика. Если трек умещается внутри трубки счетчика, то число ионов пропорционально энергии частицы
Вторичная ионизация.
Первичные электроны и положительные ионы движутся к электродам, разгоняясь электрическим полем. Электрическое поле внутри счетчика резко неоднородное. Оно очень велико в малой области вокруг анодной нити и небольшое в остальном пространстве счетчика, что является следствием асимметрии геометрии электродов. Электроны, движущиеся к аноду, попадают в область очень больших электрических полей и вблизи нити резко ускоряются. В результате возникает вторичная ионизация. Вновь выбитый электрон успевает разогнаться и произвести новую ионизацию, следовательно, процесс носит лавинный характер. На один первичный электрон в лавине ударных ионизации образуются до 103, а часто и более вторичных частиц.
Рассмотренный выше лавинный процесс имеет две особенности. Во-первых, любой первичный электрон, вызывает лавину одной и той же величины. Это следует из того, что вторичная ионизация происходит в области порядка 0,1 мм около нити, а первичные электроны образуются вне ее во всем объеме счетчика.
Вторая особенность развития вторичной лавины - малая длительность, поскольку лавина развивается примерно за 10 -8 с.
Повторные лавины.
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 фотоны выбивают из катода за счет явления фотоэффекта, электроны, которые и являются родоначальниками новых лавин. Время развития этого процесса составляет около 10-6 с. Основной вклад в это время вносит дрейф фотоэлектрона от катода до области развития лавин около нити..
Второй механизм образования повторных лавин обусловлен более медленными процессами. Он состоит в том, что положительные ионы, доходя до катода, выбивают из него электроны в процессе нейтрализации, т.к. потенциал ионизации атомов газа, заполняющего счетчик, в несколько раз выше работы выхода электрона из металла (4–5эВ). Например, энергия ионизации аргона, равна 15,7 эВ. Длительность развития лавины, возникающей таким способом, обусловлена временем движения положительных ионов к катоду и имеет порядок 10-4 с.
Таким образом, если два рассмотренных выше механизма, смогут вызывать повторные лавины неопределенно длительное время, то разряд в счетчике превращается в самостоятельный.
При самостоятельном разряде возникает проблема его гашения. Методы гашения самостоятельного разряда в счетчиках делится на радиотехнические и основанные на добавлении в трубку многоатомных газов.
В радиотехнических методах разряд гасится снижением напряжения на электродах счетчика. Особенно эффективными являются радиотехнические схемы с активным гашением, в которых, передний фронт импульса, вызывает срабатывание быстродействующего электронного устройства, снимающего напряжение счетчика.
В счетчик с внутренним гашением добавляют многоатомные газы, например, пары этилового спирта. Пары спирта поглощают фотоны с энергиями, достаточными для выбивания фотоэлектронов из катода. При этом молекула спирта возбуждается и диссоциирует, но практически не испускает электронов. Поэтому повторные лавины, за счет фотоэлектронов с катода, возникнуть не могут. Повторные лавины подавляются также за счет положительных ионов, которые двигаясь к катоду, сталкиваются с молекулами спирта. Потенциал ионизации спирта (11,7 эВ) ниже ионизационного потенциала основного газа аргона (15,7 эВ). При столкновении иона аргона с молекулой спирта происходит переход электрона к иону аргона с ионизацией молекулы спирта и нейтрализацией аргона. В результате до катода доходят только ионизированные молекулы спирта, которые при нейтрализации не выбивают электроны, а разваливаются. Счетчики, с добавлением многоатомных газов, называются самогасящимися.
Счетчики Гейгера-Мюллера работают в режиме самостоятельного разряда с гашением. Импульс напряжения, создаваемый этими счетчиками, достаточно велик (2...40 В) и не зависит от энергии регистрируемой частицы. Следовательно, счетчики Гейгера-Мюллера только регистрируют частицу. Разрешающее время этих счетчиков довольно велико: 10-3...10-5 с (в лучших до 10-7с). В счетчиках с многоатомными газами (внутреннее гашение) разрешающее время меньше, но зато срок их действия ограничен распадом многоатомных молекул (примерно 109 регистрации). Существуют, однако, счетчики с многоатомными добавками, имеющие неограниченный срок службы.
Конструктивные особенности счетчиков Гейгера-Мюллера определяются видом регистрируемых частиц, в первую очередь их энергией и проникающей способностью. Так, для регистрации β-частиц с энергией, превышающей 0,3...0,5 МэВ, применяются цилиндрические счетчики с катодом из достаточно тонкого листа алюминия или нержавеющей стали. Для регистрации α- частиц используют торцевые счетчики. Отверстие для входа частиц в таких счетчиках закрыто тонкой пластинкой слюды или алюминиевой фольги. Металлическая анодная нить одним концом впивается в корпус счетчика, а другой ее конец располагается около входного окна. Для предотвращения самопроизвольного срабатывания счетчика за счет стекания зарядов с острия проволочки, на её свободном конце закрепляется бусинка из стекла. Для регистрации α-частиц, обладающих малой проникающей способностью, используются торцевые счетчики с тончайшей пленкой на входном окне. В этих счетчиках давление газа близко к атмосферному. Для регистрации α- частиц с малой энергией используются счетчики открытого типа с давлением газа, равным атмосферному. Недостаток таких счетчиков - большое анодное напряжение (2000... 3000 В) и зависимость режима работы от влажности и температуры воздуха, наличия в них примесей.
Эффективность счетчика.
Эффективностью счетчика называется отношение числа регистрируемых счетчиком частиц или квантов к их полному числу, проходящих через него. Счетчики Гейгера-Мюллера не обладают 100 % - ной эффективностью. Это обусловлено тем, что частица, прошедшая через счетчик, может не создать даже одной пары ионов (либо ионы продиффундируют в нерабочую область). Тем не менее, эффективность счетчика к электронам может достигать высоких значений (99% и даже 99,9 %).
Регистрация γ-лучей осуществляется через посредство быстрых электронов, образующихся при поглощении или рассеянии γ-квантов, в основном, в стенках счетчика (незначительно в газе). Эффективность счетчика для γ-лучей зависит от материала стенок (катода) и энергии γ- квантов.
В области энергий 0,1...1,5 МэВ, где электроны выбиваются из стенок катода главным образом в результате комптон - эффекта, материал стенок счетчика мало влияет на эффективность, т. к. пробег электронов приблизительно обратно пропорционален атомному номеру Z, а сечение эффекта Комптона пропорционально Z.
В области больших энергий, где основным процессом поглощения γ- квантов является образование электронно-позитронных пар, выгодно изготовлять стенки счетчика из материала с большим Z, так как сечение образования пар пропорционально Z. Эффективность счетчиков для γ- лучей обычно составляет около 1...3 %.
Счетная характеристика.
Счетной характеристикой счетчика Гейгера - Мюллера называется зависимость скорости счета от приложенного напряжения при неизменной интенсивности ионизирующего облучения счетчика. Типичная счетная характеристика имеет четыре участка (рис. 4).
На участке малых напряжений (1) регистрация импульсов не происходит. Напряжение начала счета (пороговое напряжение) соответствует минимальным амплитудам импульсов, пропускаемых формирователем. В еличина этого напряжения зависит от диаметра нити анода, рода газов, входящих в состав рабочей смеси, давления газа и т.д. На начальном участке счетной характеристики (участок 2) быстрый рост числа импульсов объясняется тем, что счетчик работает в области ограниченной пропорциональности. В области так называемого «плато» счетной характеристики (участок 3) число зарегистрированных импульсов практически не зависит от напряжения, так как каждая ионизирующая частица, попадающая в объем счетчика, вызывает электронно-ионную лавину и самостоятельный разряд в газе. В действительности, «плато» имеет некоторый наклон, вызванный ложными импульсами за счет неполного гашения, краевых эффектов, образования тяжелых отрицательных ионов и т.д. Наличие «плато» обеспечивает устойчивую работу счетчика Гейгера-Мюллера. Рабочее напряжение выбирается на середине «плато». Хорошие счетчики имеют «плато» протяженностью 100-300 В с наклоном 5-7 % на 100 В. При дальнейшем увеличении напряжения скорость счета резко возрастает (участок 4), т.к. счетчик переходит в режим спонтанного разряда.
Пороговое напряжение, положение и длина "плато" являются индивидуальными характеристиками счетчика и могут меняться в широких пределах. Поэтому для правильного выбора рабочего напряжения необходимо снимать счетную характеристику каждого счетчика.
Разрешающее время счетчика.
В течение разряда и некоторого промежутка времени, непосредственно следующего за разрядом, электрическое поле в счетчике имеет меньшую величину. Зависимость п отенциала собирающего электрода от времени с момента попадания в счетчик частицы показывает рис.5.
Последующие частицы, попавшие в счетчик в начальной стадии развития разряда (за время τ), вообще не регистрируются. Этот интервал носит название мёртвого времени счетчика.Промежуток времени, необходимый для полного восстановления электрического поля в счетчике после окончания мертвого времени называется времени восстановленияtв.
Импульсы, которые создаются частицами, попавшими в это время
в счетчик, имеют существенно меньшую амплитуду (пунктирные
кривые на рис.5).
Мертвое время определяет минимальный промежуток времени, которым должны б ыть разделены пролёты через счетчик ядерных частиц, чтобы они были зарегистрированы отдельно. Типичное значение мертвого времени счетчиков Гейгера-Мюллера 10-3... 10-5 с. Разрешающее время счётчика практически то же, что и мёртвое время счётчика.
Ядерные превращения и взаимодействие излучения с веществом имеют статистический характер, следовательно, существует определенная вероятность попадания в счетчик двух или более частиц в течение мертвого времени, которые будут зарегистрированы как одна частица. Предположим, что эффективность счетчика равна 100 %. Пусть по - средняя скорость попадания в счетчик частиц, п - средняя скорость счета (число частиц, регистрируемых за единицу времени). За время t будет зарегистрировано nt частиц, следовательно, за время t суммарное время, когда счётчик не считает, составит ntτ, а число несосчитанных частиц будет равно поntτ. Будем считать, что число попавших равно сумме зарегистрированных и несосчитанных частиц:
 (1) При малых скоростях счета (пτ«1) поправка на просчеты незначительна и можно считать, что по
п. Обычно считают, что поправку на разрешающее время счетчика надо вводить при п>100 имп/с.
Одним из простейших методов экспериментального определения мертвого времени счетчика является метод двух источников.
Пусть п1 и п2 - средние (наблюдаемые) скорости счета от каждого источника в отдельности, а п12 - суммарная скорость счета. Соответствующие им действительные значения п*1 , п*2 ,и п*12 , согласно (1), равны:
  
И
з этих соотношений определяется мертвое время счетчика :
Включение установки.
Подготовить лабораторную установку к работе. Для этого на приборе «Арион» переключатели установить в следующие положения:
- «и-или» - в положение «или».
- «пров.-раб.» - в положение «работа».
- «ручн.-авт.» - в положение «авт».
Регулятор высокого напряжения должен находиться в крайнем левом (против часовой стрелки) положении.
Включить тумблер «сеть». Загорается цифровая индикация.
Включить тумблер «высокое»Установить минимально возможное напряжение питания счетчиков - 300 В.
Задание 1. Снятие счетной характеристики счетчика.
Поместите источник β-излучения в свинцовый домик.
Нажмите кнопки «сброс», а затем «пуск». Медленно увеличивайте напряжение на счетчике. Запишите напряжение, при котором начнется счет (U пор).
Снимите зависимость числа импульсов N(за 10 сек) от напряжения на счетчике с шагом 25 В.
Внимание !!! При увеличении счета на 20 % по отношению к уровню «плато» измерения прекращаются во избежании выхода счетчикам из строя и уменьшают напряжение.
Результаты измерений занесите в таблицу 1.
4. Построить график N=f(U)и выбрать на «плато» графика рабочее напряжение счетчика. На графике отложить абсолютную погрешность ∆N измерения величины N (∆N= ).
5. Установить рабочее напряжение на счетчике и определить фон счетчика. Время измерения равно 5 мин. Таблица 1
Таблица 1
-
№
изм..
| U, в
|
t, сек
|
N, имп
|
∆N
|
1
|
300
|
10
|
|
| |
|
|
Скачать 2.87 Mb.