Изучение методов регистрации ядерных излучений, снятие счетной характеристики и определение ''мертвого времени'' счетчика Гейгера-Мюллера: Описание лабораторной работы по атомной и ядерной физике

Министерство образования и науки Российской Федерации Омский государственный университет

УДК 539.14 ББК В38 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 лабораторной работы по атомной и ядерной физике (для студентов III курса физического факультета ОмГУ)

Изд-во ОмГУ

Омск 2004

Изучение методов регистрации ядерных излучений, снятие счетной характеристики и определение «мертвого времени» счетчика Гейгера–Мюллера: Описание лабораторной работы по атомной и ядерной физике (для студентов III курса физического факультета ОмГУ) / Сост. Г.Ж. Худайбергенов. – Омск: Изд-во ОмГУ, 2004. – 16 с. Определены содержание, форма, объем и порядок проведения лабораторной работы. Включены необходимые теоретические сведения, даны методические рекомендации, обеспечивающие ее выполнение, контрольные вопросы, а также список рекомендуемой литературы. Для студентов III курса физического факультета. УДК 539.14 ББК В38

© Омский госуниверситет, 2004

Лабораторная работа ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ, СНЯТИЕ СЧЕТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ «МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ» СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА – МЮЛЛЕРА Цель работы: изучение методов регистрации ядерных излучений, снятие счетной характеристики и определение «мертвого времени» счетчика Гейгера – Мюллера. Приборы и материалы: электронно-счетное устройство, источник питания, источники β-частиц, счетчик Гейгера – Мюллера.

Методы регистрации ядерных излучений

В некоторых детекторах важную роль играют процессы возбуждения и диссоциации молекул в сочетании с ионизацией. Эти явления определяют возникновение люминесценции в сцинтилляционных счетчиках и образование скрытого изображения в фотографических эмульсиях. Другим важным процессом взаимодействия излучения с детектором являются испускание черенковского излучения в счетчиках Черенкова и вторичная электронная эмиссия в электронных умножителях. Системы для регистрации делятся на импульсные и интегрирующие. Первые отличают сигналы от прохождения отдельной частицы, вторые измеряют некоторый средний эффект. Качество системы для регистрации излучения определяется следующими параметрами: 1) эффективностью – отношением числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, попавших в регистратор; 2) «мертвым временем» прибора – временем, в течение которого прибор после регистрации им частицы не чувствителен к излучению; 3) разрешающей способностью по энергии; 4) разрешающей способностью по массам и зарядам; 5) такими факторами, как стоимость, сложность наладки и прочее. В настоящей работе далее рассмотрены лишь газонаполненные детекторы.

При регистрации радиоактивного излучения необходимо определять энергию и заряд частиц, их массу и время жизни, магнитные и механические моменты, эффективные сечения различных процессов, угловые распределения и прочие характеристики. Измеряя эти величины, можно получить ценную информацию о свойствах элементарных частиц, о структуре ядра и ядерных силах. Система для регистрации излучения состоит обычно из детектора и измерительной аппаратуры. В детекторе происходит взаимодействие излучения с веществом. Измерительная аппаратура воспринимает сигнал с выхода детектора и позволяет производить измерения. В большинстве детекторов сигнал образуется за счет ионизации, которая создается в них заряженной частицей. К таким детекторам относятся: 1) ионизационные камеры; 2) пропорциональные счетчики; 3) счетчики Гейгера – Мюллера; 4) кристаллические счетчики; 5) камера Вильсона 6) искровые камеры;

1. Счетчики Гейгера – Мюллера. Ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера – Мюллера представляют собой три типа довольно старых, но широко применяемых детекторов ядерного излучения. Счетчики Гейгера – Мюллера являются разновидностью газонаполненных детекторов. В общем случае к детекторам в ядерной физике относят приборы для регистрации, идентификации и установления характеристик заряженных или нейтральных частиц. Счетчики Гейгера – Мюллера предназначены только лишь для регистрации α-, β-частицы и γ-квантов.

3

4

Конструктивно газоразрядный счетчик представляет собой тонкостенную металлическую или стеклянную, покрытую с внутренней стороны слоем металла цилиндрическую камеру. Цилиндр служит катодом. Анодом является тонкая (0,05...0,5 мм) металлическая нить, расположенная по оси цилиндра. Счетчик заполнен специально подобранным газом, например аргоном, при давлении 10...760 мм рт. ст. Между катодом и анодом за счет внешнего источника создается разность потенциалов 300–2500 В. В момент прохождения частицы в газе образуются ионы и электроны, замыкающие цепь на участке между электродом и стенками. Снаружи цепь источника замыкается через сопротивление R, зашунтированное конденсатором C. Традиционная схема включения счетчика Гейгера – Мюллера в электрическую цепь показана на рис. 1.

C

R

+ –

к усилителю

Рис. 1. Схема включения счетчика Гейгера – Мюллера Регистрируемая частица, проходящая через объем счетчика, создает на выходе схемы электрический импульс отрицательной полярности, т. к. уменьшение сопротивления самого счетчика в момент газового разряда, вызванного частицей, резко увеличивает напряжение на сопротивлении нагрузки. Физические процессы, происходящие в газоразрядных счетчиках, можно разделить на три стадии. Первичная ионизация. Она возникает вдоль траектории заряженной частицы, проходящей через счетчик. Первичные ионы мо5

гут возникнуть 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 анодунити, попадают в область очень больших электрических полей (силовые линии у нити сгущаются) и вблизи нити резко ускоряются. В результате возникает вторичная ударная ионизация. Вновь выбитый 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 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 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 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...5 эВ). Например, энергия ионизации арго6

на равна 15,7 эВ. Длительность развития лавины, возникавшей 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 делятся на радиотехнические и основанные на добавлении в трубку многоатомных газов. В радиотехнических методах разряд гасится снижением напряжения на электродах счетчика. Особенно эффективными является радиотехнические схемы с активным гашением, в которых возникающий при разряде передний фронт импульса вызывает срабатывание быстродействующего электронного устройства, снимающего напряжение на счетчике. В счетчики с внутренним гашением добавляет 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. Подавляются также и повторные лавины 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 (0,2…40 В) и не зависит от энергии регистрируемой частицы. Следовательно, счетчики Гейгера – Мюллера только регистрируют частицу без измерения ее энергии. Разрешающее время этих счетчиков довольно велико: 10–3...10–5 с. (в лучших до 10–7 с.). В счетчиках с многоатомными га-

зами (внутреннее гашение) разрешающее время меньше, но зато срок их действия ограничен распадом многоатомных молекул (примерно 109 регистраций). 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 β-частиц используют торцевые счетчики. Отверстие для входа частиц в таких счетчиках закрыто тонкой пластинкой слюды или алюминиевой фольги. Металлическая анодная нить одним концом впаивается в корпус счетчика, а другой ее конец располагается около входного окна. Для предотвращения самопроизвольного срабатывания счетчика за счет отекания зарядов с острия проволочки на ее свободном конце закрепляется бусинка из стекла. Для регистрации α-частиц, обладающих малой проникающей способностью, используются торцевые счетчики с тончайшей пленкой на входном окне. Для регистрации α-частиц с малой энергией используются счетчики открытого типа с давлением газа? равным атмосферному давлению. Недостаток таких счетчиков – высокое анодное напряжение (2000…3000 В) и зависимость режима работы от влажности и температуры воздуха, наличия в них примесей. 2. Эффективность счетчика. Эффективностью счетчика называется отношение числа регистрируемых счетчиком частиц или квантов к полному числу проходящих через него частиц. Счетчики Гейгера – Мюллера не обладают 100%-й 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

7

8

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, т. к. сечение образования пар пропорционально Z2. Эффективность счетчиков для γ-лучей обычно составляет около 1...3 %. На рис. 2 представлена зависимость величины заряда Q, появляющегося на обкладках конденсатора (или амплитуды импульса) от величины напряжения U при возникновении ложного разряда в камере, когда проходит одна частица, причем постоянная времени собирания заряда на электродах камеры. Общую зависимость можно разбить на несколько областей, в которых процессы протекают несколько различно. QK

1

2

3

4

5

6

U, B Рис. 2. Зависимость величины заряда на обкладках конденсатора при возникновении разряда в камере от величины приложенного напряжения (вольт-амперная характеристика) 9

Область 1 – малые значения U. Происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме. При увеличении напряжения скорость ионов увеличивается, что уменьшает вероятность рекомбинации. Область 2. Практически все заряды, образованные в детекторе, собираются на электродах. Этот участок кривой называют областью насыщения или «плато» счетной характеристики, число зарегистрированных импульсов практически не зависит от напряжения, т. к. 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. 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 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 Гейгера – Мюллера. Область 6. Область непрерывного разряда.

10

3. Счетная характеристика. Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к электродам 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 зависимость называется счетной характеристикой. Ее вид показан на рисунке 3. При значении разности потенциалов U < UB импульсы тока также возникают (область пропорциональности и ограниченной пропорциональности), но регистрирующая радиосхема обладает порогом чувствительности и регистрирует только самые большие из них. С ростом напряжения растет доля импульсов, амплитуда которых достаточна для регистрации. Соответствующий участок счетной характеристики изображен отрезком АВ на рис. 3. В области Гейгера – Мюллера UB ≤ U ≤ UС каждая ионизирующая частица вызывает импульс с большой амплитудой, достаточной для регистрации его радиосхемой. На участке ВС счетной характеристики у идеально работающего счетчика скорость счета не зависит от U и определяется числом ионизирующих частиц, попадающих в трубку. В действительности с ростом напряжения наблюдается слабое увеличение числа зарегистрированных импульсов. Это объясняется тем, что гейгеровская область содержит небольшую примесь области непрерывного разряда. «Плато» счетной характеристики является рабочей областью счетчика Гейгера – Мюллера.

11

n=

имп мин

D

B

C

A

UB

UC

U, B

Рис. 3. Счетная характеристика счетчика У хороших счетчиков оно простирается на 100–200 В, а его наклон составляет несколько процентов. Обычно в качестве рабочей точки на характеристике выбирают середину «плато». При очень широком «плато» выбирают точку ближе к началу области Гейгера – Мюллера. 4. Разрешающее время счетчиков. В течение разряда и некоторого промежутка времени, непосредственно следующего за разрядом, электрическое поле в счетчике имеет меньшую величину. Зависимость потенциала собирающего электрода от времени с момента попадания в счетчик частицы показывает рис. 4.

12

τ

tв

200

400

Порядок выполнения работы

600 t, µc

Рис. 4. Зависимость напряжения от времени после начала разряда Последующие частицы, попавшие в счетчик в начальной стадии развития разряда (за время τ), вообще не регистрируются. Этот интервал носит название «мертвого времени» счетчика. Промежуток времени, необходимый для полного восстановления электрического поля в счетчике после окончания «мертвого времени», называется временем восстановления tв. Импульсы, которые создаются частицами, попавшими в это время в счетчик, имеет существенно меньшую амплитуду (пунктирные кривые на рис. 4). «Мертвое время» определяет минимальный промежуток времени, которым должны быть разделены пролеты через счетчик ядерных частиц, чтобы они были зарегистрированы отдельно.

13

1. Подготовить пересчетное устройство к работе согласно техническому описанию. 2. Снять счетные характеристики при двух режимах: а) без облучения счетчика радиоактивным препаратом, когда импульсы вызываются только действием фона; б) при облучении препаратом. Для снятия характеристики подать на счетчик напряжение 650 В. Если счетчик не начинает работать, слегка повернув ручку потенциометра «рег. напр.», увеличить напряжение на 50 В. Выждать одну минуту. Если за это время декатронный счетчик ни разу не сработает, то увеличивают напряжение еще на 50 В. Продолжая постепенно повышать напряжение, найти значение U, при котором счетчик начинает регистрировать частицы. Произвести первое измерение скорости счета в течение 100 с. Увеличивая напряжение через 50 В, продолжить измерение скорости счета (по 100 с. каждое). Когда окончится область «плато», необходимо прекратить измерения. Нельзя допускать переход счетчика в режим негаснущего разряда, т. к. это приводит к быстрой порче счетчика. По окончании измерений снимают со счетчика напряжение. Результаты представить в виде графика функции n = f(U). Определение «мертвого времени» счетной трубки методом двух источником. Типичное значение «мертвого времени» счетчиков Гейгера – Мюллера 10–3...10–5 с. 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» τ, которые будут зарегистрированы как одна частица. Предположим, что эффективность счетчика равна 100 %. Пусть n0 – средняя скорость попадания в счетчик частиц, n – средняя скорость счета (число частиц, регистрируемых за единицу времени). За время t будет зарегистрировано nt частиц, следовательно, за время t суммарное «мертвое время» составит ntτ , а число несосчитанных частиц будет равно n0ntτ . Будем считать, что число попавших в счетчик частиц равно сумме зарегистрированных и несосчитанных частиц: 14

n 0 t = nt + n 0 ntτ , откуда

n0 =

n . 1 − nτ

(1)

При малых скоростях счета поправка на просчеты незначительна, и можно считать, что n0 ≈ n. Обычно считают, что поправку на разрешающее время счетчика надо вводить при n ≥ 100 имп/сек. Одним из простейших методов экспериментального определения «мертвого времени» счетчика является метод двух источников. Пусть n1 и n2 – средние (наблюдаемые) скорости счета от каждого источника в отдельности, а n12 – суммарная скорость счета. Соответствующие им действительные значения n10, n20 и n120, согласно (1), равны

n10 =

n1 n2 n12 . ; n20 = ; n120 = n10 + n20 = 1 − τn1 1 − τn2 1 − τn12

ка:

n12 − n1 − n2 (n1 + n2 ) − n12 = 2 . n12 + n22 − n122 n12 − n12 − n22

1. В чем назначение газоразрядных счетчиков? 2. Опишите устройство счетчика Гейгера – Мюллера. 3. Опишите физические процессы, протекающие при прохождении через счетчик ионизирующей частицы. 4. В чем заключается эффективность счетчика? 5. Дайте определение счетной характеристики счетчика. 6. Дайте определение разрешающего времени счетчика. 7. Как экспериментально определить «мертвое время» счетчика? 8. Каково типичное значение «мертвого времени» счетчика Гейгера – Мюллера?

Рекомендуемая литература

Из этих соотношений определяется «мертвое время» счетчи-

τ=

Контрольные вопросы

(2)

В работе применяются два радиоактивных препарата β – источники активностью ∼ 10-9 мккюри. Установить контейнеры с препаратами таким образом, чтобы излучение попадало на середину счетной трубки. Затем измерить число импульсов N1, N2, N12, открывая каждый из контейнеров по очереди, а затем оба вместе. Каждое измерение производить один раз в течение 300 с. Вычислить скорости счета n1, n2, n12 в имп/сек., а затем при помощи формулы (2) определить «мертвое время» счетчика. Так как в формулу входит малая величина n1+n2–n12, то для получения надежного результата нужно производить с большой точностью измерение скоростей n1, n2, n12. Этим объясняется указанное выше требование к продолжительной экспозиции.

1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат, 1977. 2. Калашников В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных (2) частиц. М.: Наука, 1966. 3. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. М.: Атомиздат, 1974. Ч. 1, 2. 4. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1987. Т. 2. §82, §147. Т. 3. §75.

Технический редактор Е.В. Лозовая Редактор О.А. Сафонова ___________________________________________________________________ Подписано в печать 30.08.04. Формат бумаги 60х84 1/16. Печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ №494. ___________________________________________________________________ Издательство Омского государственного университета 644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет

15