Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Физика атомного ядра Описания лабораторных работ

Скорость счета зависит от интенсивности излучения и от напряжения,

приложенного к электродам.

Важнейшей технической характеристикой счетчика Гейгера является

счетная характеристика. Она определяет зависимость числа частиц, регистри-

руемых счетчиком за единицу времени, от напряжения на счетчике при посто-

янной интенсивности излучения и неизменном расстоянии от радиоактивного

источника. Общий вид счетной характеристики представлен на рис. 2.

При напряжении меньшем U

, газовый разряд в счетчике не происходит,

так как энергия первичных ионов недостаточна для вторичной (ударной) иони-

зации. Напряжение U

, при котором на

счетчике возникает газовый разряд, назы-

вается напряжением начала счета. Однако

при этом напряжении не все возникающие

в газовом счетчике импульсы регистриру-

ются электромеханическим счетчиком. Ре-

гистрируются лишь те импульсы, ампли-

туды которых после усиления станут дос-

таточными для срабатывания электроме-

ханического счетчика. С увеличением напряжения от U

до U

количество заре-

гистрированных импульсов увеличивается, так как их амплитуды возрастают, и при

, которое называется напряжением начала плато, регистрируются практически

все импульсы.

Участок характеристики счетчика от U

до U

, на котором скорость счета

мало зависит от приложенного напряжения, называется плато счетчика. Плато

имеет некоторый наклон ε, который принято выражать относительным увеличе-

нием скорости счета в процентах, рассчитанным на 1 В увеличения напряжения.

Наклон плато определяется соотношением:

(

)

()(

)

2323

5,0

%100

UUnn

−+

⋅

−

=ε , (2)

где n

− скорость счета при напряжении начала плато U

;

− скорость счета при напряжении пробоя U

Лучшие счетчики имеют плато шириной 150−200 В и наклон не более

0,15 % на 1 В.

В качестве рабочего напряжения U

счетчика принимается напряжение,

соответствующее первой трети ширины плато:

(

232

UUUU

−+=

)

(3)

За плато начинается быстрый рост числа отсчетов, связанный с много-

кратной регитрацией каждой частицы. Увеличение скорости счета в этой об-

ласти служит предупреждением о том, что счетчик переходит в режим непре-

рывного разряда и, следовательно, будет испорчен. Подъем напряжения должен

быть немедленно прекращен, и режим счетчика возвращен к середине плато.

плато

рабочая

область

Рисунок 2

331

Описания лабораторных работ Физика атомного ядра

Описание экспериментальной установки

Установка состоит из радиометра − прибора, предназначенного для коли-

чественной регистрации радиоактивных излучений. Радиометр типа Б-2 состо-

ит из:

1. Блока типа ВСП, включающего в себя высоковольтный выпрямитель для

питания газовых счетчиков, пересчетное устройство и электромеханиче-

ский счетчик;

2. Входного блока с держателем счетчика Гейгера.

Импульсы, возникающие в счетчике после усиления, подаются на пере-

счетное устройство, которое позволяет подавать на электромеханический счет-

чик не каждый импульс, а каждый 4-й, 16-й или 64-й. Это расширяет возмож-

ности прибора, ограниченные механической частью счетчика, которая при

больших интенсивностях излучения может не успевать срабатывать и пропус-

кать импульсы. Электромеханический счетчик фиксирует поступающие им-

пульсы на двух циферблатах, считающих единицы и сотни. Прибор включают

на нужный пересчет с помощью переключателя кратности счета. При пользова-

нии пересчетом на х4, х16 или х64 электромеханический счетчик срабатывает

только после регистрации пересчетным устройством соответственно 4-х, 16-ти

или 64-х импульсов.

Каждый импульс, поступающий в пересчетный период, фиксируется за-

горающимися неоновыми лампочками. Если пересчетное устройство выклю-

чить раньше, чем очередной раз сработает электромеханический счетчик, то

число незарегистрированных им импульсов можно определить, сложив цифры

у лампочек, которые будут гореть после выключения счетчика. Поэтому каж-

дый раз перед началом счета необходимо с помощью кнопки «сброс» выклю-

чить весь ряд лампочек.

Пример расчета скорости счета.

Работа производится с пересчетом х64. За 3 минуты сняты следующие

показания:

а) на электромеханическом счетчике на шкале х100

− 3

на шкале х1

− 15

б) неоновые лампочки горят у цифр 32, 8 и 2.

Рассчитаем общее число зарегистрированных импульсов:

()

(

)

202022832641151003

⋅

⋅+

⋅

=N импульса

Определим скорость счета:

6734

20202

==n имп/мин.

332

Физика атомного ядра Описания лабораторных работ

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

Какова цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Какой график надо построить по результатам работы? Схематично нарисуй-

те ожидаемую зависимость, укажите ее основные параметры.

Запишите формулы, по которым рассчитывается наклон плато и рабочее на-

пряжение. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

1. Перед включением прибора регулятор напряжения должен находиться в край-

нем левом положении (повернут против часовой стрелки), а ручки переключате-

лей – в положении «выкл». Включить радиометр в сеть и дать прибору про-

греться в течение 2-3 мин.

2. Переключатель кратности счета установить в положение х64. Включить тумб-

лер «пуск». Плавно и очень медленно поворачивая регулятор напряжения, дове-

сти напряжение до начала счета импульсов, что определяют по началу мига-

ния лампочек пересчетного устройства. Источником излучения служит радиа-

ционный фон, обусловленный космическим излучением.

3. Выключить тумблер «пуск». Нажать кнопку «сброс». Установить на нуль обе

шкалы электромеханического счетчика.

4. Включить одновременно с секундомером тумблер «пуск». Через 3 минуты

выключить. Записать показания электромеханического счетчика и показания

неоновых лампочек. Нажать кнопку «сброс». Установить на нуль обе шкалы

электромеханического счетчика.

5. Последовательно увеличивая напряжение на электродах газоразрядного счет-

чика на 50 В, повторить измерения согласно п. 4.

Обратите внимание! Чтобы счетчик не испортился, измерения надо прекра-

тить, когда скорость счета импульсов значительно возрастет и будет слышен

непрерывный звук работы механического счетчика. Примерное значение мак-

симально допустимого напряжения 900-1000 В.

6. После окончания эксперимента выключить установку в следующей последова-

тельности:

а) уменьшить до нуля напряжение на счетчике поворотом ручки регулятора про-

тив часовой стрелки до упора;

б) нажать кнопку «замыкание высокого напряжения»;

в) выключить тумблер «сеть» и вынуть вилку сетевого шнура из розетки.

333

Описания лабораторных работ Физика атомного ядра

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать количество зарегистрированных импульсов N (см. пример в тексте):

(

)

∑

Л1100

100 NkNNN

(4)

где N

100

− показание сотен электромеханического счетчика,

− показание единиц электромеханического счетчика,

– значения показаний возле светящихся неоновых лампочек,

k – коэффициент пересчета.

2. Рассчитать скорость счета n по формуле (1).

3. Построить график зависимости скорости счета от напряжения на электродах газо-

разрядного счетчика n=f(U). Для определения значения напряжения начала счета

, кривую счетной характеристики следует продолжить до пересечения с осью

напряжения.

4. Определить основные параметры счетной характеристики счетчика Гейгера: на-

пряжение начала счета U

, напряжение начала плато U

, напряжение пробоя U

5. Рассчитать:

а) ширину плато: U

− U

;

б) рабочее напряжение U

по формуле (3);

в) наклон плато ε. по формуле (2).

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Объясните устройство и принцип работы счетчика Гейгера.

Какое излучение регистрировал счетчик Гейгера в данной работе?

Сравните график, полученный экспериментально с ожидаемой зависимо-

стью. Сделайте вывод.

Почему рабочее напряжение нельзя выбирать за пределами плато?

Какие меры безопасности нобходимо соблюдать при работе со счетчиком

Гейгера? Почему?

334

Физика атомного ядра Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 114

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием еди-

ницы измерения

1 Вольтметр

Показания

электромех.

счетчика

№

п/п

мин

коэфф.

пересчета

х100 х1

Показания

неон.

лампы

(цифры)

имп.

имп/мин

Основные параметры счетной характеристики

Напряжение начала счета U

= __________

Напряжение начала плато U

= __________

Напряжение пробоя U

= ______________

Дата________ Подпись преподавателя___________________

335

Описания лабораторных работ Физика атомного ядра

Лабораторная работа №115

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ

ГАММА-ЛУЧЕЙ В ВЕЩЕСТВЕ

Цель работы – экспериментально проверить закономерности ослабления

гамма-лучей в веществе, определить линейный коэффициент ослабления гам-

ма-лучей в свинце.

Приборы и принадлежности: радиометр, источник гамма-излучения,

свинцовые экраны.

Общие положения

Гамма-излучением называется жесткое электромагнитное излучение,

энергия которого испускается при переходах ядер из возбужденных энергети-

ческих состояний в основное, а также при ядерных реакциях. Так как гамма-

излучение обладает малой длиной волны (λ менее 1 пм), то оно имеет ярко вы-

раженные корпускулярные свойства, то есть является потом частиц – гамма-

квантов. Как правило, гамма-излучение не является самостоятельным типом

радиоактивности. Оно сопровождает α- и β-распады.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью и спо-

собно проходить в воздухе сотни метров, а в твердых телах – сантиметры или

даже дециметры, в зависимости от плотности вещества и от энергии гамма-

квантов. При прохождении гамма-излучения через вещество происходит его

ослабление за счет взаимодействия с электронными оболочками атомов и мо-

лекул, а также за счет взаимодействия с ядрами.

Изменение интенсивности подчиняется закону

eII

−

, (1)

где I

– интенсивность гамма-излучения, падающего на поверхность вещества;

I – интенсивность гамма-излучения, после прохождения вещества;

μ – коэффициент линейного ослабления гамма-лучей в веществе, завися-

щий от природы вещества и спектрального состава потока излучения;

х – толщина поглощающего слоя.

Из уравнения (1) вытекает физический смысл коэффициента линейного

ослабления: это величина, обратная толщине слоя вещества, при прохождении

которого интенсивность гамма-излучения уменьшается в е раз (е – основание

натуральных логарифмов).

Прологарифмируем уравнение (1), получим:

xII

−

lnln

. (2)

Из уравнения (2) следует, что натуральный логарифм интенсивности излучения

после прохождения вещества будет изменяться по линейному закону.

Для регистрации гамма-лучей применяется счетчик Гейгера, схема уст-

ройства которого приведена на рис. 1. На выходе счетчика возникают импуль-

336

Физика атомного ядра Описания лабораторных работ

сы тока, каждый из которых с определенной вероятностью соответствует про-

хождению гамма-кванта через рабочий объем счетчика. Количество импульсов,

зарегистрированных

счетчиком за время t

пропорционально ин-

тенсивности потока гам-

ма-излучения:

= , (3)

где k – коэффициент

пропорциональности,

который определяется параметрами счетчика (его типом, размерами, чувстви-

тельностью и т.п.) и энергией гамма-квантов. Это позволяет записать уравнение

(2) в следующем виде:

xNN

−

lnln

. (4)

где N

– количество импульсов, зарегистрированных счетчиком за произволь-

ное время

t без поглощающих пластин.

N – количество импульсов, зарегистрированных счетчиком за то же время t по-

сле прохождения излучением поглощающих пластин.

При проведении измерений следует учитывать величину фонового гамма-

излучения

, которое обусловлено существованием других источников гамма-

лучей природного, техногенного и космического происхождения.

С учетом фона уравнение (4) можно записать в виде

xNNNN

−

− )ln()ln(

ф0ф

(5)

Для определения линейного коэффициента ослабления строится график

зависимости ), на котором по оси абсцисс откладывается тол-()ln( xfNN

=−

щина поглощающего слоя вещества x, а по оси ординат – логарифм соответст-

вующего количества импульсов )ln(

−

. По экспериментально полученным

точкам проводится усредняющая

прямая, тангенс угла наклона кото-

рой дает искомый коэффициент ос-

лабления:

ф2ф1

)ln()ln(

NNNN

−

−−

−

=μ

, (6)

где х

и х

– толщины произвольно

выбранных пластинок, N

и N

–

соответствующие количества им-

пульсов (рис. 2).

Изолятор

Усилитель

егистрирующее

устройство

Газ

РУ

Рисунок 1

ln( -

)

ln( -

)

ln( -

)

Рисунок 2

337

Описания лабораторных работ Физика атомного ядра

Слой, толщина

x которого такова, что интенсивность гамма-излучения,

прошедшего через него, уменьшается вдвое, называется слоем половинного ос-

лабления. Зная линейный коэффициент ослабления гамма-лучей, можно опре-

делить толщину слоя половинного ослабления гамма-излучения:

2ln

(7)

Ослабление гамма-лучей в веществе лежит в основе работы устройств

защиты человека от ионизирующих излучений (АЭС, рентген кабинеты), раз-

личных гамма-реле, гамма-датчиков и т.п.

Описание экспериментальной установки

Измерительная установка состоит из радиометра типа Б-2, источника

гамма-излучения и набора свинцовых пластин. Радиометр позволяет регистри-

ровать гамма-излучение и выдает результат в виде зарегистрированных за про-

извольное время импульсов, количество которых пропорционально интенсив-

ности потока гамма-лучей. Его основные блоки:

1. Блок типа ВСП, включающий в себя высоковольтный выпрямитель

для питания газовых счетчиков, пересчетное устройство и электроме-

ханический счетчик.

2. Входной блок с держателем счетчика Гейгера.