Ионизационные камеры и счетчики Гейгера

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

Пермский государственный университет

 

 

кафедра экспериментальной физики

 

 

ИЗУЧЕНИЕ СЧЕТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА

 

 

Методическое пособие

 

Пермь 2001

 

Составители: доцент И.В. Изместьев, ассистент Г.П. Спелков

 

УДК 539.15

 

Изучение счетной характеристики счетчика Гейгера: Методические указания/ Перм.ун-т: Сост. И.В. Изместьев, Г.П. Спелков. – Пермь, 2001. - с.

 

Даны методические указания по лабораторной работе общего физического практикума (раздел ядерная физика). Рассматриваются принципы работы и особенности характеристик счетчиков Гейгера ионизационных камер. Приведен анализ процессов, протекающих в самогасящихся счетчиках, обсуждается их счетная характеристика. Эта характеристика измеряется экспериментально. После градировки счетчик применяется для определения активности препарата относительным методом.

Предназначены для студентов физических, геологических и других факультетов университетов, где изучается курс ядерной физики.

Ил. 9

Печатается по постановлению методической комиссии физического факультета Пермского университета.

 

Изучение счетной характеристики счетчика Гейгера: Методические указания

 

Составители:

Изместьев Игорь Васильевич

Спелков Герман Павлович

 

Редактор Н.И. Стрекаловская

Технический редактор Г.А. Ковальчук

Корректор Г.А. Гусман

 

Сдано в набор

Подписано в печать

 

Формат 60х841/16. Бум. Тип. №3. Печать офсетная. Усл. печ. л.. Уч.–изд.л.. Тираж 300 экз.

 

Редакционно-издательский отдел Пермского университета.

614600, ГСП, г.Пермь, ул.Букирева, 15

 

Типография Пермского университета:

614600, ГСП, г.Пермь, ул.Букирева, 15

 

 

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ И СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА

 

Счетчики Гейгера и ионизационные камеры служат для регистрации и исследования быстрых заряженных частиц. Они представляют собой наполненные газом сосуды с двумя электродами. Схема устройства такого прибора приведена на рис. 1.

 

Обычно стенки прибора образуют один из электродов системы. Второй электрод вводится в газ через изолирующую пробку. К электродам подведено постоянное напряжение от источника э.д.с. Величина тока, проходящего через газ, измеряется по падению напряжения на измерительном сопротивлении.

Заполняющий сосуд газ сам по себе не проводит электрический ток. Проводимость газа связана с внешними причинами, приводящими к появлению ионов. Ионизацию газа могут производить быстрые заряженные частицы, проходящие через газ. При исследовании нейтральных частиц (нейтронов, g - квантов) ионы создаются вторичными заряженными частицами, которые образуются при взаимодействии первичных нейтральных частиц с атомами газа или стенок.

Для обеспечения надежной работы ионизационной камеры (или счетчика) нужно правильно выбрать состав рабочего газа. Очень важно, чтобы электроны, образующиеся при ионизации, оставались свободными, а не захватывались соседними молекулами (не «прилипали» к ним). Чаще всего для наполнения пользуются аргоном и неоном, иногда азотом и водородом. Кислород и водяные пары, даже в небольших количествах, вызывают резкое ухудшение рабочих параметров прибора.

На рис 2 схематически изображена типичная характеристика рассматриваемого прибора. По оси абсцисс отложено напряжение на его электродах, по оси ординат - величина заряда Q, проходящего через сопротивление R, при регистрации быстрой заряженной частицы.

При небольших напряжениях амплитуда импульса зависит как от заряда и скорости пролетающей частицы, так и от напряжения на электродах. Альфа – частицы отличаются от b - частиц (электронов и позитронов) величиной заряда и скоростью. Количество пар ионов, образующихся на единице пути в газе (плотность ионизации), пропорционально квадрату заряда пролетающей частицы. У a - частицы z² в четыре раза больше, чем у электрона. Плотность ионизации быстро увеличивается с уменьшением скорости (как 1 /V²). При одинаковой энергии a - частицы имеют существенно меньшую скорость, чем электроны. Обе указанные причины приводят к тому, что плотность ионизации по следу a - частицы в тысячи раз превосходит плотность ионизации по следу электрона. Аналогичные рассуждения применимы ко всем другим частицам. При скоростях, близких к скорости света, частицы меньше всего ионизуют газ (минимальная

ионизация).

 

Вернемся к характеристике рис. 2. При небольших напряжениях ток, проходящий через прибор, крайне мал, так что регистрировать удастся только суммарный ток, вызванный прохождением большого числа частиц. Приборы, работающие в таком режиме, носят название ионизационных камер. При увеличении напряжения сила тока возрастает на несколько порядков, так что становится возможной регистрация отдельных частиц. В этом случае говорят о счетчиках. При еще больших напряжениях прохождение частиц инициирует развитие пробоя, т. е. самоподдерживающегося самостоятельного электрического разряда. При таком разряде счетчик очень быстро выходит из строя. Работая со счетчиками, необходимо поэтому соблюдать осторожность и прекращать подъем напряжения до того, как возникает самостоятельный разряд.

1.1. Ионизационные камеры

 

Устройство ионизационной камеры изображено на рис. 3. Быстрые частицы пронизывают газ, которым наполнена камера, и ионизуют его. Образовавшиеся ионы движутся в электрическом поле, которое создано заземленным через сопротивление R измерительным электродом ИЭ и наружным высоковольтным электродом ВЭ. Сила тока I, протекающего через камеру, и, следовательно, напряжение U, образующееся на сопротивлении R, определяются ионизацией газа и служат для ее измерения. Измерительный электрод ИЭ укреплен в высоковольтном с помощью изоляторов И₁ и И₂. Охранный электрод ОЭ заземлен. Основные токи утечки направляются от высоковольтного электрода к охранному и не попадают на измерительный. Разность потенциалов между ОЭ и ИЭ, зависящая от падения напряжения на R, обычно не превышает долей вольта, поэтому утечки через изолятор И₁, малы и не искажают результатов измерении.

Поставим вблизи камеры источник ионизующего излучения и начнем постепенно увеличивать напряжение на ней. Ток, протекающий через камеру сначала будет резко возрастать, а затем, начиная c некоторого напряжения U₀, станет постоянным, или, как говорят, выйдет на плато (рис. 4). Предельный ток I₀ равен, очевидно,

I₀ = ne,

где n - число пар ионов, образуемых в секунду в объеме камеры, а e - заряд электрона.

 

При недостаточном напряжении сила тока оказывается заметно меньше I_o. Это происходит в основном из-за того, что часть ионов успевает рекомбинировать и не доходит до электродов камеры. Лишь при достаточно больших напряжениях (порядка сотни или нескольких сотен вольт при обычных размерах камер) ионы движутся достаточно быстро и рекомбинация не играет существенной роли. При использовании камер для регистрации ионизующего излучения всегда стремятся работать в области плато, так как при этом сила тока не зависит от небольших изменений напряжения на камере.

Сделаем некоторые численные оценки. При измерении напряжений, меняющихся не очень быстро, чувствительность аппаратуры обычно не удается сделать больше, чем несколько милливольт. Это связано с тем, что контактные разности потенциалов на проводах, сопротивлениях и деталях аппаратуры составляют десятые доли милливольта и несколько меняются с температурой и со временем. Измеряемые напряжения лишь в том случае будут зарегистрированы надежно, если они существенно превышают указанную нестабильность. Положим поэтому, что минимальное измеримое значение напряжения равно U_min = 10 ^-2 B.

При данном U_min минимальная обнаружимая сила тока I_min определяется, очевидно, величиной сопротивления R. Практически никогда не применяют сопротивлений больше 10¹¹ Ом. Это связано с тем, что при больших сопротивлениях схема очень медленно откликается на изменение интенсивности измеряемого излучения. Постоянная времени схемы, изображенной на рис. 3, равна RС, где С — емкость измерительного электрода и соединяющих проводов. Эта емкость обычно составляет не менее 20 пФ. При R = 10¹¹ Oм имеем

t = 10¹¹·20·10 ^–12 = 2 с.

Увеличивать R, а вместе с ним и t, в большинстве случаев нецелесообразно. При наших параметрах схемы имеем поэтому

Поскольку заряд электрона равен 1,6 ·10 ^-19 Кл, найдем, что камера способна эффективно регистрировать излучение лишь в том случае, если в ней за секунду образуется

пар ионов.

Быстрые частицы, пролетающие через камеру, создают в ней, вообще говоря, заметное число ионов. Это число достигает 10⁵ на частицу для a - частиц и составляет около 100 для быстрых электронов. Как бы на были велики эти числа, они все-таки существенно меньше, чем 10⁶, так что ионизационная камера способна надежно регистрировать лишь суммарный аффект от прохождения большого числа частиц.

Положение существенно изменяется, если в сочетании с ионизационной камерой применять не измеритель тока, а регистратор отдельных импульсов. Найдем импульс напряжения, возникающий на камере при прохождении через нее одной a - частицы, создающей 10⁵ пар ионов. Заряд, перенесенный образованными ионами, равен 10⁵·1,6·10 ^–19 = 1,6·10 ^-14 Кл, и изменение потенциала емкости С составляет

(4)

Как было отмечено выше, такое изменение напряжения было бы невозможно заметить, если бы оно происходило медленно. Собирание ионов в камере продолжается, однако, не более миллисекунды, контактные разности потенциалов за такие времена меняются крайне незначительно, и сигнал в 1 мВ измерить в этих условиях нетрудно. Импульсная ионизационная камера позволяет, таким образом, регистрировать отдельные a - частицы. Измерение импульсов, вызванных прохождением одиночных быстрых электронов, и в этом случае оказывается, однако, невозможным. Эту задачу позволяют решить только счетчики.

Заметим, что в (4) величина R не входит. В этом случае, следовательно, нет смысла выбирать его особенно большим. Легко сообразить,чтоуменьшать R можно до тех пор, пока t = RС не окажется порядка времени собирания ионов. Это происходит при

(5)

При дальнейшем уменьшении R величина импульса начинает падать. Оценка (5) справедлива для времен собирания ионов порядка 10^-3 с. Во многих случаях удается это время существенно уменьшить и соответственно сократить величину R.

 

1.2. Счетчики

 

Как показано на рис. 2, при увеличении напряжения на камере за участком плато начинается участок нового подъема. Число ионов, приходящих на электроды, возрастает при этом вследствие вторичной ионизации и оказывается существенно больше числа первичных ионов, образованных в газе ионизующим излучением. Вторичная ионизация возможна, если энергия, приобретаемая электронами в электрическом поле на пути между двумя последовательными столкновениями с атомами газа, оказывается достаточной для того, чтобы ионизовать эти атомы. Она позволяет, таким образом, усиливать импульсы, возникающие при прохождении частиц через газ. Ионизационные камеры, использующие газовое усиление носят название счетчиков.

Конструкции счетчиков могут быть самыми разнообразными. На рис. 5 изображен счетчик с цилиндрическими стенками. Катодом служит проводящий слой 1 из графита или из какого-либо металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной цилиндрической трубки 2. Тонкая нить 3 - анод - закреплена с одного конца с помощью работающей на сжатие пружинки 4, которая поддерживает нить в натянутом состоянии. Второй конец нити соединен с проволокой, которая сваривается со стеклом. Для уменьшения краевых эффектов нить проходит через тонкие стеклянные - трубки 5 с плавно закругленными краями. Трубка 6 служит для откачки счетчика и заполнения его газом.

 

Для регистрации a - частиц и мягкого b- излучения часто применяется цилиндрический торцовый счетчик, устройство которого схематически показано на рис. 6. Исследуемое излучение попадает в счетчик через тонкое слюдяное окошко, расположенное в торцовой части счетчика.

Напряженность электрического поля в цилиндрическом счетчике (рис. 5) обратно пропорциональна расстоянию от его оси

 

Здесь r₁ - радиус нити, r₂ - внутренний радиус катода, U - разность потенциалов

между нитью и катодом. Поле достигает больших значений около нити и невелико у катода. Условие вторичной ионизации может быть записана в виде

E > E_вт,

где E_вт - напряженность электрического поля, при которой становится возможной вторичная ионизация. Это условие выполняется при

(6)

Формула (6) определяет расстояние от оси счетчика, при котором электроны начинают ионизовать атомы газа. Эта формула имеет смысл, конечно, лишь при r₀ > r₁. Если вторичная ионизация произошла далеко от нити, то вторичные электроны, набрав в электрическом поле достаточную энергию, способны сами ионизовать газ наравне с первичными. Вместо каждого первичного электрона в этом случае к аноду приходит целая лавина. Число электронов, приходящих к нити счетчика, отнесенное к числу первичных электронов, носит название коэффициента газового усиления А. Коэффициент газового усиления быстро возрастает с напряжением и при больших А начинает зависеть от числа первичных электронов. При этом счетчик переходит из пропорционального режима в режим ограниченной пропорциональности. При еще больших напряжениях возникновение хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда. Сигналы, выдаваемые счетчиком, достигают при этом нескольких вольт и могут использоваться без предварительного усиления. Счетчик начинает работать в гейгеровском режиме.

Самостоятельный разряд в счетчике не может быть объяснен одним только разрастанием лавины. В самом деле, как бы ни была велика лавина, образующие ее вторичные электроны приходят на анод вместе с первичными, - и новым электронам взяться, казалось бы, неоткуда. Разряд, таким образом, должен был бы прекратиться вплоть до появления новых электронов, возникновение которых связано с внешними причинами. Существуют, однако, два явления, способные вызвать возникновение новых электронов в силу одних только внутренних причин.

Отметим прежде всего, что при нейтрализации ионизованных атомов у катода освобождается заметное количество энергии. Потенциалы ионизации атомов почти всегда выше работы выхода электронов из металла, так что выделившейся энергии хватает и на то, чтобы вырвать из металла электрон, необходимый для нейтрализации иона, и на освобождение еще одного электрона. Этот электрон начинает двигаться к нити, рождает на своем пути новую лавину и т. д. Возникновение самостоятельного разряда при малых А не происходит лишь благодаря тому, что вероятность вырывания электрона из катода очень мала. Только при огромном числе положительных ионов, сталкивающихся с катодом (порядка 10⁴), появляется заметная вероятность того, что из него будет выбит хоть один электрон. Если каждая лавина приводит к появлению у катода больше чем одного электрона (в среднем), создаются условия для возникновения самостоятельного разряда. Самостоятельный разряд в счетчике может поддерживаться поэтому лишь при достаточно большом ионном токе.

Вторым процессом, который способен освобождать электроны из катода, является фотоэффект - вырывание электронов из катода световыми квантами (в основном ультрафиолетом). Кванты ультрафиолетового излучения при разряде счетчика излучаются возбуждаемыми при соударениях с электронами атомами и рекомбинирующими у катода положительными ионами.

Возникший в счетчике самостоятельный разряд должен сам собой прекратиться, как только около нити образуется достаточно мощный пространственный заряд. Вскоре, однако, положительные ионы уходят от нити, и условия для образования разряда восстанавливаются. Один из описанных выше эффектов приводит к появлению в газе новых электронов, происходит новая вспышка, за ней следующая, и т. д.

Ясно, что описываемый счетчик может зарегистрировать всего одну частицу, а для регистрации следующей нужно предварительно погасить самостоятельный разряд. В зависимости от методов гашения счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся (последние сейчас применяются все реже).

Гашение разряда в самогасящихся счетчиках осуществляется путем введения в газ паров какого-нибудь сложного органического вещества (спирта, ацетона и др.). Многие сложные молекулы непрозрачны для ультрафиолета и не дают соответствующим квантам достичь катода. Энергия, освобождаемая ионами у катода, в присутствии таких веществ расходуется не на вырывание электронов, а на диссоциацию молекул. Возникновение самостоятельного разряда в этих условиях становится невозможным, а величина импульса ограничивается пространственным зарядом положительных ионов. Для прекращения самостоятельного разряда достаточно сравнительно небольших примесей многоатомных газов (около 10%). Давление в счетчиках колеблется от нескольких сотых до нескольких десятых долей от атмосферного.

В отличие от несамогасящихся счетчиков, самогасящиеся счетчики способны зарегистрировать лишь ограниченное количество импульсов; оно составляет обычно несколько десятков миллионов. За это время существенная часть многоатомных молекул успевает диссоциировать, и счетчик становится непригоден к работе.

Разряд в самогасящихся счетчиках заканчивается за время порядка 10^-7 с, однако чувствительность его восстанавливается только после того, как положительные ионы уйдут достаточно далеко от нити (полная чувствительность достигается лишь после их нейтрализации на катоде). Время нечувствительности счетчика называется обычно мертвым временем, а время его неполной чувствительности - временем восстановления. Мертвое время и время восстановления счетчиков удобно наблюдать и измерять с помощью осциллографа со ждущей разверткой.

Подадим на вход вертикального отклонения луча осциллографа сигналы со счетчика, установленного вблизи от радиоактивного источника. Выберем длительность ждущей развертки в два - три раза больше мертвого времени. Сигналы, запускающие развертку и расположенные вследствие этого в самом ее начале, налагаются друг на друга и дают яркую картину, изображенную на рис. 7 сплошной линией. Эта линия характеризует форму нормального импульса.

Если подобрать интенсивность радиоактивного источника так, чтобы среднее время между проходящими через счетчик частицами было порядка длительности развертки, то за время прохождения луча по экрану может быть зарегистрирован второй сигнал. В силу случайного характера радиоактивного распада повторные сигналы появляются через различное время после импульса, запустившего развертку. Эти сигналы имеют на экране осциллографа вид тонких линий, так как они связаны с однократным прохождением луча. Как видно из рисунка, в начале развертки вторичные импульсы не возникают. «Пустой» участок характеризует мертвое время счетчика t_м. Затем амплитуда сигналов постепенно увеличивается и через t_в, - время восстановления - достигает первоначальной величины.

Мертвое время самогасящегося счетчика зависит от геометрии счетчика, от напряжения на нем и от подвижности ионов наполняющего газа. Обычно оно

составляет около 10^-4 с.

Величина импульса, которая может быть снята с нити, для самогасящихся счетчиков равна нескольким вольтам.

Гашение разряда в счетчике с помощью многоатомных газов является эффективным в том случае, если напряжение на счетчике (и, следовательно, величина лавины) не слишком велико. При сильном подъеме напряжения количество ионов оказывается столь большим, что появляется заметная вероятность образования вторичных электронов у катода даже в присутствии многоатомных газов. В этом случае возникает самостоятельный разряд, при котором счетчик почти сразу выходит из строя.

Как отмечалось выше, самогасящиеся счетчики, содержащие многоатомные газы, обладают тем недостатком, что они могут зарегистрировать ограниченное число частиц (не более 10⁸). Кроме того, такие счетчики неудобны в обращении, так как требуют сравнительно высокого напряжения - порядка тысячи вольт. При исследовании газового разряда было замечено, что если добавить к инертному газу, заполняющему счетчик, небольшое количество (0,1%) какого-либо из галогенных газов, то рабочее напряжение сильно понижается и счетчик становится самогасящимся. Счетчики, наполненные такой смесью, называют галогенными. Для заполнения галогенных счетчиков обычно используют неон с добавкой брома. Рабочее напряжение в галогенных счетчиках, как правило, не превышает 200 - 400 В.

Работа этих счетчиков основана на том, что потенциал возбуждения неона (16,6 В) заметно меньше его потенциала ионизации (21,5 В); поэтому при столкновении электронов с молекулами неона в основном происходит их возбуждение. Вблизи нити счетчика, где напряженность электрического поля велика, образуется особенно много возбужденных атомов неона. Время жизни неона в возбужденном (метастабильном) состоянии очень велико (10^-2 – 10^-4 с), и до момента высвечивания атом неона испытывает весьма большое число соударений, причем успевает столкнуться и с редко встречающимися молекулами брома.

При соударении с молекулой брома возбужденный атом неона может ионизовать ее, так как потенциал ионизации брома (12,8 В) ниже потенциала возбуждения неона. Образовавшийся при ионизации электрон разгоняется в поле нити и возбуждает атомы неона, которые в свою очередь ионизуют новые молекулы брома. Часть возбужденных атомов неона переходит в основное состояние путем излучения. Возникающее при этом ультрафиолетовое излучение практически не поглощается в газе и, попадая на катод, выбивает с его поверхности электроны. При движении этих электронов к аноду процесс возбуждения атомов неона повторяется, возникают новые электронно-ионные лавины, и при достаточном напряжении на счетчике в нем возникает самостоятельный разряд.

В результате разряда вблизи нити счетчика образуется, большой положительный пространственный заряд, состоящий из ионизованных молекул брома. Этот заряд понижает напряженность поля около нити, и процесс возбуждения атомов неона прекращается. К этому времени еще не все возбужденные атомы неона успевают перейти в основное состояние. Процесс ионизации молекул брома и выбивание электронов с катода ультрафиолетовым излучением продолжаются. Эти процессы несколько затягивают время окончания разряда. В галогенных счетчиках с катодом сталкиваются только ионы брома, и вторичные электроны при этом не выбиваются, поскольку энергия ионизации брома меньше удвоенной работы выхода электронов с поверхности катода. Эта поверхность подвергается специальной обработке, цель которой заключается в том, чтобы увеличить работу выхода электронов.

Мертвое время и время восстановления у галогенных счетчиков имеют те же значения и обусловлены теми же причинами, что и у счетчиков заполненных многоатомными газами.

Следует отметить, что начальная стадия разряда в галогенных счетчиках развивается гораздо медленнее, чем в других типах счетчиков из-за того, что молекулы брома ионизуются электронами не прямо, а в два этапа. Первый этап этого процесса - возбуждение атомов неона - происходит быстро, а второй - медленно, поскольку встреча атомов неона с молекулами брома происходит редко (напомним, что в газе счетчика на 1000 атомов неона имеется только одна молекула брома!).

Медленное развитие разряда приводит к удлинению фронта электрических сигналов, снимаемых со счетчика. Импульсы галогенных счетчиков сильнее запаздывают и больше флюктуируют по времени, чем импульсы обычных самогасящихся счетчиков.

Важной технической характеристикой счетчика Гейгера является счетная характеристика (рис. 8). Она определяет зависимость числа частиц регистрируемых счетчиком за единицу времени, от напряжения на счетчике при постоянной интенсивности излучения и неизменном расстоянии от радиоактивного источника.

Пока напряжение оказывается меньше порогового, счетчик не работает как гейгеровский и связанная с ним электронная схема не регистрирует распадов. При подходе к порогу счетчик «начинает чувствовать» источник, и счет быстро

увеличивается. Затем наступает область плато, на котором счет мало зависит от напряжения. В этой области счетчик регистрирует почти все попавшие в него заряженные частицы. За плато начинается быстрый рост числа отсчетов, связанный с многократной регистрацией каждой частицы. Увеличение скорости счета в этой области служит предупреждением о том, что счетчик переходит в режим непрерывного разряда и, следовательно, будет испорчен. Подъем напряжения должен быть немедленно прекращен и режим счетчика возвращен к середине плато.

Другой технической характеристикой счетчика является его эффективность. Эффективностью называют отношение (обычно в процентах) числа регистрируемых частиц (или квантов) к полному числу частиц проходящих через счетчик.

Регистрация g - квантов (и рентгеновских лучей) происходит вследствие вторичных эффектов: фотоэффекта, комптон - эффекта и рождения пар в стенках и в газе счетчика. При небольших размерах счетчика вероятность этих процессов мала, так что эффективность регистрации g - квантов не превышает 1%. Для заряженных частиц эта величина близка к 100%.

 

2. ХОД РАБОТЫ

 

2.1. Измерение счетной характеристики газоразрядного счетчика

 

1. Поместить рядом со счетчиком слабый радиоактивный препарат. Включить у счетного прибора и выпрямителя тумблер “сеть” и ”пуск”. Плавно и медленно увеличивая высокое напряжение при помощи ручки “регул. напряж.”, следить за индикаторными лампочками пересчетного прибора. В момент, когда индикаторы начнут “перемигиваться”, определить величину анодного напряжения. Это будет начало счета U_нс.

2. При напряжении, равном началу счета, сделать замер числа импульсов в течение 3-5 мин.

3. Постепенно увеличивая высокое напряжение от начала счета U_нс с шагом 25-50 В, делать замеры числа импульсов по 3-5 минут. Напряжение увеличивать до тех пор, пока не увеличится скорость счета на 20% по сравнению с предыдущим измерением. Если произошло повышение скорости счета более, чем на 20%, то нужно немедленно уменьшить высокое напряжение. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1

Напряжение U, В	Время измерения t, мин.	Зарегистрировано импульсов, N	Скорость счета

 

4. По данным таблицы построить график, как показано на рис. 9

Определить на нем протяженность плато в вольтах и наклон плато по формуле:

где U ₁ и U ₂ – напряжения, соответствующие границам плато; J ₁ и J ₂ – скорости счета, соответствующие напряжениям U ₁ и U ₂. Счетчики с наклоном плато выше 0,15% на 1 вольт считаются совершенно непригодными для работы.

5. Рабочее напряжение следует выбирать на границе первой и второй трети плато. Наиболее часто рабочее напряжение выбирается из условия: U _нс+(50 ¸ 100 В) в зависимости от типа счетчика.

При выбранном рабочем напряжении U _раб. в отсутствии радиоактивного препарата определить скорость счета фона

где N _ф - число импульсов, зарегистрированных счетчиком; t _ф - время замера (3 - 5 минут).

 

2.2. Определение активности неизвестного препарата относительным методом

 

Сущность относительного метода состоит в сравнении количества импульсов в минуту J _х, зарегистрированных прибором от препарата с неизвестной активностью А _х, с количеством импульсов J _э, зарегистрированных за 1 минуту, от эталонного препарата с известной активностью А _э. Исходя из пропорциональности скорости счета и активности при прочих не изменяющихся условиях, получаем расчетную формулу для определения активности препарата:

(7)

Для измерения этим методом необходимо иметь эталон, изготовленный из того же радиоактивного вещества, которое содержится в измеряемом препарате. Это необходимо, чтобы не вносить поправок на различие спектров b-частиц, испускаемых радиоактивным веществом препарата и радиоактивным веществом эталона.

1. Во время измерений определите сначала скорость счета эталонного препарата Sr или Co. Для этого положите эталонную пластинку на основание под серединой счетчика и сделайте замер в течение 1 - 5 минут. Определить скорость счета импульсов с фоном:

2. Вычислите скорость счета от эталона

J _э = J _э+ф - J _ф,

где J _ф – скорость счета фона.

3. Определите скорость счета неизвестного препарата с фоном:

Вычислите скорость счета от препарата неизвестной активности:

J _х = J _х+ф – J _ф.

4. Активность неизвестного препарата определить по формуле (7) в беккерелях и кюри.

 

 

Контрольные вопросы

1. Устройство различных типов газоразрядных счетчиков.

2. Какими газами и под каким давлением заполняются счетчики?

3. Какого типа счетчики применяются для регистрации тех или иных видов излучения?

4. Какова эффективность счета различных типов счетчиков по отношению к различным видам излучения?

5. В чем заключается принцип действия счетчика? Какое по величине и полярности напряжение должно быть подано на счетчик?

6. Какой вид имеет характеристика газонаполненного счетчика?

7. В каких режимах могут работать счетчики?

8. Какие преимущества и недостатки имеет счетчик в режиме Гейгера-Мюллера по сравнению с другими режимами? Каков коэффициент газового усиления в режиме Гейгера-Мюллера?

9. Как в счетчике развивается лавинный разряд?

10. Почему необходимо гасить все лавины в счетчике, следующие за первой?

11. Какими способами производится гашение разряда в несамогасящихся и самогасящихся счетчиках?

12. Как происходит гашение разряда в несамогасящихся и самогасящихся счетчиках? Дать сравнительную оценку разных способов гашения.

13. Каковы преимущества и недостатки галогенных счетчиков перед счетчиками с органическими гасителями?

14. Что называется “мертвым временем” счетчика и от каких причин оно зависит? Что такое разрешающая способность счетчика?

15. Что представляет собой счетная характеристика газоразрядного счетчика и для какой цели она определяется?

16. При каких значениях протяженности и наклона плато счетчик считается пригодным для эксплуатации? Как определяется рабочее напряжение счетчика?

17. Что такое “фон” счетчика и какими причинами он вызван?

18. Что называется активностью радиоактивного вещества, от чего она зависит и в каких единицах измеряется?

19. В чем заключается метод определения активности сравнением с эталонным препаратом?

20. Каким условиям должны удовлетворять препараты при определении активности методом сравнения?

 

Литература

 

1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. – М.: Атомиздат, 1977, гл. 4,5.

2. Лабораторные занятия по физике. Под ред. Гольдина Л.Л. – М.:Наука, 1983, гл. 6.

3. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.: Наука, 1980, гл. IX.

Файл от Н.Крапивиной ЛАБ_31

ХОД РАБОТЫ № 31

Снять счетную характеристику газоразрядного счетчика, для чего:

1. Поместить рядом со счетчиком слабый радиоактивный препарат. Включить у счетного прибора и выпрямителя тумблер “сеть” и ”пуск”. Плавно и медленно увеличивая высокое напряжение при помощи ручки “регул. напряж.”, следить за индикаторными лампочками пересчетного прибора. В момент, когда индикаторы начнут “перемигиваться”, определить величину анодного напряжения. Это будет начало счета U_нс.

2. При напряжении, равном началу счета, сделать замер числа импульсов в течение 3-5 мин.

3. Увеличивая высокое напряжение от начала счета U_нс скачками через 25-50В, делать замеры числа импульсов по 3-5 минут. Напряжение увеличивать до тех пор, пока не увеличится скорость счета на 20% по сравнению с предыдущим измерением. Если произошло повышение скорости счета более, чем на 20%, то нужно немедленно уменьшить высокое напряжение. Результаты измерений занести в таблицу № 1.

Таблица № 1.

Напряжение U /вольт/	Время измерения t /мин./	Зарегистрировано N /число импульсов/	Скорость счета J=N/t имп./мин.

 

4. По данным таблицы построить график, как показано на рис.

 

 

Определить на нем протяженность плато в вольтах и наклон плато А [%/ В ] по формуле

 

где U ₁ и U ₂ – напряжения, соответствующие границам плато; J ₁ и J ₂ – скорости счета [ имп./мин. ], соответствующие напряжениям U ₁ и U ₂. Счетчики с наклоном плато выше 0,15% на 1 вольт считаются совершенно непригодными для работы.

5. Рабочее напряжение следует выбирать на границе первой и второй трети плато. Наиболее часто рабочее напряжение выбирается из условия: Начало счета U _нс+/50¸100 В / в зависимости от типа счетчика.

6. При выбранном рабочем напряжении U _раб. в отсутствии радиоактивного препарата определить скорость счета фона

 

где N _ф-число импульсов, зарегистрированных счетчиком; t _ф – время замера (3-5 минут).

7.1 Определить активность неизвестного препарата относительным методом, т.е. методом сравнения данного образца с эталонным препаратом.

Сущность относительного метода состоит в сравнении количества импульсов в минуту J _х, зарегистрированных прибором от препарата с неизвестной активностью А _х, с количеством импульсов J _э, зарегистрированных за 1 минуту, от эталонного препарата с известной активностью А _э. Исходя из пропорциональности скорости счета и активности при прочих не изменяющихся условиях, получаем расчетную формулу для определения активности препарата:

Для измерения по этому методу необходимо иметь эталон, изготовленный из того же радиоактивного вещества, которое содержится в измеряемом препарате. Это необходимо, чтобы не вносить поправок на различие спектров b-частиц, испускаемых радиоактивным веществом препарата и радиоактивным веществом эталона.

7.2. Определить сначала интенсивность излучения эталонной пластины Sr или Co. Для этого положить эталонную пластинку на основание под серединой счетчика и сделать замер в течение 1-5 минут. Определить скорость счета импульсов с фоном

Вычислить интенсивность излучения эталона J _э= J _э+ф – J _ф, где J _ф- интенсивность фона (п.6).

7.3. Так же, как и в пункте 7.2, определить интенсивность излучения неизвестного препарата с фоном:

.

вычислить интенсивность излучения препарата неизвестной активности: J _х= J _х+ф – J _ф.

7.4. Активность неизвестного препарата определить по формуле:

8. К данной работе необходимо знать устройство и заполнение газоразрядных счетчиков (спиртовых и галогенных), вольт-амперную и счетную характеристики счетчиков, физические основы гашения разряда в счетчике; какие счетчики применяются для измерения a, b, g - излучений; схему включения счетчика. Необходимо знать также основные законы радиоактивного распада.

 

Контрольные вопросы к работе № 31.

1. Устройство различных типов газоразрядных счетчиков.

2. Какими газами и под каким давлением заполняются счетчики?

3. Какого типа счетчики применяются для регистрации тех или иных видов излучения?

4. Какова эффективность счета различных типов счетчиков по отношению к различным видам излучения?

5. В чем заключается принцип действия счетчика? Какое по величине и полярности напряжение должно быть на счетчике?

6. Каков вид вольт-амперной характеристики газонаполненного счетчика?

7. В каких режимах могут работать счетчики?

8. Какие преимущества и недостатки имеет счетчик в режиме Гейгера-Мюллера по сравнению с другими режимами? Каков коэффициент газового усиления в режиме Гейгера-Мюллера?

9. Как в счетчике развивается лавинный разряд?

10. Почему необходимо гасить все лавины в счетчике, следующие за первой?

11. Какими способами производится гашение разряда в несамогасящихся и самогасящихся счетчиках?

12. Как происходит гашение разряда в несамогасящихся и самогасящихся счетчиках? Дать сравнительную оценку разных способов гашения.

13. Каковы преимущества и недостатки галогенных счетчиков перед счетчиками с органическими гасителями?

14. Что называется “мертвым временем” счетчика и от каких причин оно зависит?

15. Что такое разрешающая способность счетчика?

16. Что представляет собой счетная (рабочая) характеристика и для какой цели она определяется?

17. При каких значениях протяженности и наклона плато счетчик считается пригодным для эксплуатации?

18. Как определяется рабочее напряжение счетчика?

19. Что такое “фон” счетчика и какими причинами он вызван?

20. Что называется активностью радиоактивного вещества, от чего она зависит и в каких единицах измеряется?

21. Определение единиц активности кюри, беккерель.

22. В чем заключается метод определения активности сравнением с эталонным препаратом?

23. Каким условиям должны удовлетворять препараты при определении активности методом сравнения?