Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с описанием телескопа, приведенным в работе № 3 (Рис. 2).

2. Подготовить установку к измерениям. Включить кнопку “Сеть”,

3. дать прогреться 5 мин. Нажать кнопку “Сброс”, при этом во всех разрядах индикаторов должны высветиться нули.

4. Выставить время измерения (10 мин.) кнопками “Установка”, “+”, “-”. Перейти в режим “Измерение”, снова нажав кнопку “Установка”.

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

6. Провести аналогичные измерения счета совпадений для углов Q = 30^о, 45^о, 60^о за то же самое время.

7. Для углов Q > 50^о внести поправку за счет ливней со стен и потолка лаборатории (ее величина измеряется при Q = 90^о).

8. Оценить стандартную погрешность измерения интенсивности:

Рис. 2

ΔI ’( Q ) = ,

и общую погрешность с учетом поправки:

ΔI ( Q ) = ΔI ’( Q ) + ΔI ’( Q =90^о).

9. Полученные данные занести в таблицу:

10. Построить график зависимости интенсивности космических лучей I от cos²Q c указанием погрешности (Рис.1).  

11. Сделать вывод о том, является ли полученная зависимость прямой пропорциональностью.

Контрольные вопросы

5. Что такое первичное и вторичное космическое излучение?

6. Что входит в состав вторичного космического излучения?

7. Каковы компоненты первичного космического излучения?

8. Почему интенсивность прошедших через свинцовый слой лучей мало отличается от интенсивности падающего космического излучения?

Лабораторная работа №5

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

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

Содержание работы

Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α-или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-лучи невысокой энергии (E_γ < 0,5 Мэв), так как α-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильно возбужденном состоянии (W > 0,5 Мэв), затруднен малой прозрачностью барьера для α-частиц с пониженной энергией. Энергия γ-лучей испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв. Это связано с тем, что вероятности β-распада определяется более слабой функцией энергии, чем вероятность α-распада.

В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (радиационный переход). 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.

По своей физической природе γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно энергия ядерных квантов бывает за­ключена в пределах примерно от 10 кэв до 5 Мэв. Это соответствует интервалу длин волн 10^-8 см ≥ λ_γ ≥ 10^-11 см.

Гамма-кванты, испускаемые ядром при переходе в низшее энергетическое состояние, могут уносить различный момент количества движения J . Излучение, уносящее момент количества движения J = 1, называется дипольным, J = 2 - квадрупольным J = 3 - октупольным и т. д. (излучения с J = 0 не существует из-за поперечности электромагнитных волн). Каждое, изних характеризуется определенным характером углового распределения. γ-кванты различной мультипольности возникают в результате различных «колебаний» ядерной жидкости: электрических (дипольные, квадрупольные и т. д.) и магнитных (дипольные, квадрупольные и т. д.). Процессы первого типа обусловлены перераспределением электрических зарядов в ядре, процессы второго типа - перераспределением спиновых и орбитальных магнитных моментов. Правила отбора при γ-излучении связаны с выполнением законов сохранения момента количества движения и четности. Совместное применение правил отбора по моменту и четно­сти приводит к выводу, что радиационный переход между двумя энергетическими состояниями атомного ядра должен происходить путем испускания двух мультиполей, удовлетворяющих отбору по четности. Первый из них называют электрическим (EJ), второй — магнитным (MJ). Почти во всех случаях из двух переходов, разрешенных правилами отбора, преобладающим является только один - с наименьшим J. Поэтому, изучая γ-излучение экспериментально можно по типу γ-перехода определить четность и изменение спина ядра.              

       Кроме испускания γ-лучей существует еще один механизм потери энергии возбужденным ядром - испускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе, как показывает теория, энергия возбуждения ядра непосредственно (без предварительного испускания γ-кванта) передается орбитальному электрону. Очевидно, что в таком механизме будут освобождаться моноэнергетические электроны, энергия которых определяется энергией ядерного перехода и типом электронной орбиты. С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на K-электронах.

Однако если энергия , освобождаемая при ядерном переходе, меньше энергии связи K-электрона, то конверсия на K-электронах становится энергетически невозможной и наблюдается конверсия на L-электронах и т. д. Из самого характера явления следует, что конверсионное излучение должно всегда сопровождаться испусканием характеристических рентгеновские лучей и Оже-электронов. (Оже-электроны испускаются в процессе непосредственной передачи энергии возбуждения атома одному из его внешних электронов).

Конверсионное излучение может наблюдаться как вместе с γ-излучением, так и без него. Отношение числа испущенных конверсионных электронов к числу испускаемых γ-квантов называется коэффициентом внутренней конверсии:

,

(иногда коэффициентом внутренней конверсии называют отношение чис­ла испущенных конверсионных электронов к суммарному числу γ-квантов и конверсионных электронов: ). В формуле (21) α_K = (N_e)_K/N_γ - парциальный коэффициент внутренней конверсии для электронов K-оболочки; α_L - для электронов L-оболочки и т. д.

Изучение внутренней конверсии имеет большое значение для определения различных характеристик ядерных уровней (энергии - по энергии конверсионных электронов, момента ко­личества движения - по величине коэффициента конверсии и др.). 

Кроме процессов испускания γ-лучей и явления внутренней конверсии, переходы возбужденного ядра в низшее состояние могут происходить также за счет испускания электронно-позитронной пары (если энергия перехода  > 1,02 Мэв). Однако вероятность этого механизма не превышает 10^-3 от вероятности γ-излучения.

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.

В эффекте Комптона вместо падающего фотона с энергией E_γ возникает рассеянный фотон с меньшей энергией E_γ’ < E_γ, а электрон, подвергшийся рассеянию, приобретает дополнительную энергию E_e= E _γ - E _γ’).

При фотоэффекте энергия фотона полностью поглощается атомом, и вылетает один из электронов i-той оболочки с энергией E_e:

E_e= E _γ - I_i , i = K,L,M...,

где I_i - потенциал ионизации i-той оболочки атома.

Процесс образования электронно-позитронной пары маловероятен, так как возможен при очень высокой энергии γ -квантов E _γ > 1 МэВ. 

Вероятность каждого из рассмотренных эффектов зависит от энергии γ-квантов. Это позволяет анализировать энергетические состояния ядер в атомах и элементный состав γ -радиоактивных веществ по энергетическому спектру вторичных электронов.

Сцинтилляционный метод основан на том, что при прохождении заряженных частиц через вещество происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул. 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 (Sb-Сs) слой, служащий фотокатодом. Фотоны световой вспышки, возникающей в сцинтилляторе под действием заряженных частиц от источника, попадают на фотокатод и вырывают из него фотоэлектроны. Фотоэлектроны проходят через фокусирующую диафрагму и разгоняются электрическим полем, существующим между умножающими электродами (динодами). Для питания ФЭУ используется источник высокого стабилизированного напряжения с делителем. 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. Максимальное значение коэффициента (7–10) достигается для сплавных динодов при росте энергии электронов до 500–550 эВ. 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.

Под сцинтилляционной эффективностью понимают часть поглощенной в сцинтилляторе энергии ионизирующего излучения, преобразованной в энергию световой вспышки. Световым выходом сцинтиллятора называется отношение числа фотонов световой вспышки к поглощенной энергии.

После поглощения энергии заряженной частицы число фотонов световой вспышки нарастает, затем происходит спад. Временная разрешающая способность сцинтиллятора определяется временем высвечивания, которое необходимо для уменьшения максимального числа испускаемых фотонов в 3 раза. Значение его зависит от вида заряженных частиц и типа сцинтиллятора и изменяется для большинства сцинтилляторов от 10^-6 до 10^-8 с.

Сцинтилляторы должны иметь высокую сцинтилляционную эффективность, малое время высвечивания, прозрачность к собственному люминесцентному излучению, спектр которого необходимо согласовывать со спектральной чувствительностью фотокатода ФЭУ. Для применения в дозиметрии γ-излучения следует уменьшать ход с жесткостью сцинтиллятора.

В качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных детекторах применяются неорганические и органические кристаллы, органические жидкие сцинтилляторы и сцинтиллирующие пластмассы, а также газовые сцинтилляторы – гелий, аргон, криптон, ксенон.

Из неорганических кристаллов наибольшее распространение получили NаI, ΚI, СsI, активированные таллием, и Li, активированный таллием и европием или самарием. Для счета α–частиц распространено применение ZnS, активированного Аg или Сu. Некоторое распространение получили также вольфраматы щелочноземельных элементов, например СаWО₄, и соли ВаF₂, СаF₂.

Органические сцинтилляторы по своему химическому составу значительно ближе к составу биологической ткани. Их существенная особенность – малая длительность импульсов (время высвечивания равно 10^-8 –10^-9 с). Недостатком органических сцинтилляторов является низкое по сравнению с неорганическими кристаллами значение светового выхода. Из органических кристаллов чаще всего применяются антрацен, стильбен, нафталин, толан.

Жидкие сцинтилляторы являются растворами некоторых органических веществ, например, пара-терфенила, в органических растворителях  – толуоле, ксилоле и др. В сцинтиллирующих пластмассах различные органические вещества образуют твердые растворы в полистироле. Жидкие и пластмассовые сцинтилляторы имеют ряд существенных достоинств: возможно приготовление сцинтилляторов очень большого объема, введение в них радиоактивных веществ, что особенно ценно при измерениях мягких β–излучателей (³Н, ¹⁴С, ³⁵S).

Основными характеристиками ФЭУ являются квантовый выход, т. е. вероятность выбивания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод, и интегральная чувствительность, которая равна отношению силы тока на выходе ФЭУ к световому потоку. Интегральная чувствительность пропорциональна коэффициенту умножения системы динодов.

Сцинтилляционный детектор может работать в импульсном и тактовом режиме в зависимости от того, измеряется ли число импульсов тока или среднее значение анодного тока ФЭУ. Использование ФЭУ в сцинтилляционном методе накладывает определенные эксплуатационные требования при их проектировании и применении. Основными требованиями можно считать следующие: – минимальная чувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие необратимых эффектов после их воздействия; – необходимость избегать использования фотоумножителей в электромагнитных полях; – хорошая виброустойчивость; при эксплуатации необходимо максимально оберегать фотоумножитель от встрясок и ударов; – достаточная надежность выходных контактов и их надежное сочленение с внешней контактной панелью; – обеспечение полной изоляции фотоумножителя от воздействия внешних источников света. 

Сочетание фотоумножителя с сцинтиллятором дает возможность регистрировать различные виды излучений. При регистрации α-частиц чаще всего используются кристаллы ΖnS (Αg). Толщина кристаллов должна немного превышать пробег α-частиц. Регистрация быстрых нейтронов производится путем счета протонов отдачи в сцинтилляторе, содержащем водород. Возможно применение, кроме того, жидких сцинтилляторов, а также твердых органических веществ, в которые вводится ΖnS. Для регистрации тепловых нейтронов могут быть использованы сцинтилляторы, содержащие литий или бор, в которых под действием тепловых нейтронов происходят ядерные реакции ⁶Li (n,α) ³Η или ¹⁰В (n,α). К числу таких сцинтилляторов относятся LiI (Тl) или жидкие сцинтилляторы, в которые добавляются органические соединения бора, например, метилборат В(ОСН₃)₃.

Для измерения дозы рентгеновского или γ-излучения следует пользоваться сцинтиллятором из тканеэквивалентного вещества, например, стильбена или антрацена. Зависимость дозовой чувствительности сцинтилляционного дозиметра от энергии ионизирующего излучения (ход с жесткостью) определяется типом сцинтиллятора. Ход с жесткостью устраняется, например, комбинацией органических и неорганических веществ или смешением двух органических и неорганических веществ, или смешением двух органических сцинтилляторов таким образом, чтобы комбинированный сцинтиллятор был воздухоэквивалентным.

Таким образом, основными преимуществами сцинтилляционных детекторов является высокое временное разрешение, линейная зависимость между величиной сигнала и поглощенной энергией излучения с низким значением линейной передачи энергии, возможность применения жидких детекторов любой формы и объема. Эффективность регистрации достигает 100 %. Недостатком метода является сложность и нестабильность ФЭУ, применяемого для усиления первичного эффекта.