Лабораторная работа № 411.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Цель работы: 1) изучение  работы  счетчика  Гейгера-Мюллера;

2) снятие счетной характеристики счетчика.

Приборы и принадлежности: источник питания, вольтметр, блок газовых счетчиков БГС-3, счетчик Гейгера-Мюллера, пересчетный прибор ПСО-2-4.

 

1.      ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Для измерения интенсивности ионизирующего излучения широко применяются ионизационные камеры и газовые счетчики.

Первый газовый счетчик был сконструирован в 1908 г. в Кавендишской лаборатории под руководством Резерфорда. Газоразрядный детектор быстро завоевал популярность, в течение ряда лет он усовершенствовался: менялась конфигурация электродов, искались наиболее приемлемые режимы работы, газы для заполнения счетчиков и т.д.


На рис.1 изображен в двух проекциях (с боку и с торца) газовый счетчик.

Счетчик состоит из полого металлического цилиндра, по оси которого натянута укрепленная на изоляторах нить. Цилиндр заполняется разреженным газом, например, аргоном. Между нитью, которая служит положительным электродом (анодом), и стенками трубки (катодом) батарея элементов (U) создает разность потенциалов. Электрическое поле внутри счетчика неоднородное, напряженность поля изменяется в соответствии с уравнением:

                                                                               (1)

где U – напряжение, приложенное к электродам; r1 – радиус центральной проволоки (анода); r2 – внутренний радиус цилиндра; r – расстояние от анода. Уравнение (1) показывает, что напряженность электрического поля наиболее велика вблизи анода, т.е. на расстоянии r » r1. С увеличением расстояния (r > r1) поле убывает.

Существует несколько видов счетчиков, применяемых для регистрации a, b  и g - излучений.

a- излучение представляет собой поток ядер гелия; заряд a- частицы равен +2е, а масса совпадает с массой изотопа гелия  a- частицы отклоняются электрическим и магнитным полями, обладают высокой ионизирующей способностью, но малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Поэтому для регистрации a- частиц торец счетчика закрывают тончайшей фольгой, пропускающей a- частицы.

b - излучение представляет собой поток быстрых электронов, которые тоже отклоняются электрическим и магнитным полями. Ионизирующая способность b - частиц значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощаются слоем алюминия примерно 2 мм), чем у a- частиц. Счетчик b- частиц представляет собой металлическую  тонкостенную трубку, вдоль которой протянута металлическая нить. Давление в трубке пониженное – для увеличения длины свободного пробега b-частиц и облегчения ударной ионизации.

g - излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l < 10-10 м  и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц - g-квантов (фотонов). g - излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см) Для регистрации g-лучей стенки трубки счетчика делают стеклянными и покрывают изнутри металлом. Проходящие через счетчик фотоны выбивают из металла быстрые электроны, которые ионизируют газ внутри счетчика. Чем толще слой металла, тем больше быстрых электронов возникает в трубке. Однако при чрезмерной толщине выбитые электроны поглотятся в самой стенке трубки, и не будут попадать внутрь счетчика.

Допустим, что в пространство между электродами влетает быстрая заряженная частица, которая создает No вторичных ионов (электронов и положительно заряженных ионов). Возникшие ионы увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление R проходит некоторый заряд q, который называется импульсом тока.

Счетчик включается в специальную схему так, чтобы возникший в нем ток быстро обрывался. После гашения разряда происходит рекомбинация ионов и счетчик вновь готов к действию. Прошедший импульс тока после соответствующего усиления регистрируется специальной пересчетной схемой или электромеханическим счетчиком.

Ионизация в счетчиках и их режим работы зависят от приложенного напряжения. На рис.2 приведена зависимость импульса тока от напряжения между электродами для двух различных количеств первичных ионов No. На графике можно выделить шесть областей.


В области I газ, находящийся между электродами, подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизатора. Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул отщепляются один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. При небольших напряжениях не все образовавшиеся ионы достигают электродов, часть их рекомбинирует, т.е. соединяясь с электронами, вновь образуются нейтральные молекулы.

С увеличением напряжения все бóльшая часть ионов и электронов успевает долететь до электродов. Когда все ионы и электроны достигают электродов, дальнейшее увеличение напряжения не приводит к возрастанию тока. Область II – область тока насыщения (см. рис.2, где Ui – порог этой области). Прибор, работающий при напряжениях, соответствующих области II, называется ионизационной камерой.

Начиная со значения Up, напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы электроны могли ионизировать молекулы ударом. Поэтому количество электронов и положительных ионов лавинообразно растет. В результате на каждый из электродов попадает N = A×N0 ионов. Величина называется коэффициентом газового усиления. В области III этот коэффициент не зависит от количества первичных ионов (но зависит от напряжения). Поэтому, если поддерживать напряжение постоянным, то импульс тока будет пропорционален первичному количеству ионов. Область III называется областью пропорциональности, а напряжение Up – порогом пропорциональной области. Коэффициент газового усиления изменяется в этой области от 1 в начале до 103–104 в конце. Прибор, работающий в таком режиме, называется пропорциональным счетчиком. В пропорциональных счетчиках величина импульса тока зависит не только от количества частиц, вызвавших ионизацию, но и от их природы и энергии. Поэтому по величине импульсов можно различать частицы разной природы, а для одной природы провести сортировку по энергиям.

В области IV, называемой областью частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления А все сильнее зависит от N0, в связи с чем различие в импульсах тока, порожденных различным количеством первичных ионов, все больше сглаживается.

При напряжениях, соответствующих области V (ее называют областью Гейгера, а напряжение Ug – порогом этой области), процесс приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы лишь создают толчок для его возникновения. Импульс тока в этой области совершенно не зависит от  количества первичных ионов, их природы и энергии. Коэффициент газового усиления в этой области достигает величины 108. Счетчик, использующий режим работы, соответствующий области V, называется счетчиком Гейгера-Мюллера.

Для получения импульсов тока от отдельных частиц, т.е. раздельной их регистрации, необходимо возникающий разряд быстро прервать. Это достигается либо с помощью внешнего сопротивления R (см. рис.1) в несамогасящихся счетчиках, либо за счет процессов, возникающих в самом счетчике (самогасящиеся счетчики).

Гашение самостоятельного разряда в счетчике с помощью внешнего сопротивления вызывается перераспределением напряжения источника питания между межэлектродным промежутком счетчика и сопротивлением. При возникновении разряда сопротивление счетчика и напряжение на нем резко падают и, протекающий по сопротивлению разрядный ток увеличивает на нем падение напряжения. Из-за снижения напряжения на межэлектродном промежутке его величина становится недостаточной для поддержания разряда.

В самогасящихся счетчиках прекращение разряда вызывается физическим процессом в газе. Подвижность электронов (примерно в 1000 раз) превышает подвижность положительных ионов. Поэтому за то время, за которое электроны достигают нити, ионы почти не сдвигаются со своих мест. В результате они образуют положительный пространственный заряд, ослабляющий поле вблизи нити, и разряд прекращается. Для увеличения эффективности гашения к газу, заполняющему счетчик, примешивают пары многоатомных спиртов. Такие счетчики регистрируют импульсы от частиц, следующих друг за другом с интервалом 10-4 с.

В области VI напряжение столь велико, что разряд, возникнув, не прекращается. Поэтому ее называют областью непрерывного газового разряда.

 

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И
МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

 

Для определения области Гейгера необходимо снять счетную характеристику счетчика. Счетной характеристикой называют зависимость числа импульсов, регистрируемых счетчиком в единицу времени, от приложенного к нему напряжения при постоянной интенсивности радиоактивного излучения.


На рис.3 изображена счетная характеристика счетчика Гейгера-Мюллера.

 

Для подсчета числа импульсов применяют специальные электронные схемы. В отсутствии газового усиления такие схемы не регистрируют слабых импульсов, возникающих в объеме ионизационной камеры. Это означает, что кривая имеет определенный порог Up, ниже которого импульсы не регистрируются. По мере повышения напряжения газовое усиление становится значительным и схема будет регистрировать частицы, вызывающие сильную ионизацию, а частицы меньшей энергии регистрироваться не будут (это область пропорциональности счета  ab). По мере возрастания газового усиления регистрируется все большее количество частиц с малой энергией, пока не будет достигнута точка  с, Ug – порог области Гейгера-Мюллера  сd, в которой практически каждая частица, попадающая в трубку, регистрируется. Область Гейгера-Мюллера  cd  называется счетной областью или плато. В пределах этой области количество регистрируемых частиц не зависит от приложенного напряжения, поэтому плато счетчика является рабочим. Обычно рабочее напряжение выбирают в середине плато. При напряжении выше, чем в точке d, счетчик становится непригодным для измерений.

Установка для снятия счетной характеристики счетчика (см. рис.4) состоит из источника питания 1, вольтметра 2, блока газовых счетчиков 3 (БГС-3), счетчика Гейгера-Мюллера 4, пересчетного устройства 5 (ПСО-2-4). В качестве источника ионизирующего излучения постоянной интенсивности используется естественный фон, определяемый космическими лучами.


 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

1.      При помощи гибких проводов соединить УИП-1 вольтметром и БГС-3, а ПСО-2-4 соединить с БГС-3 при помощи гибкого кабеля.

2.      Включить прибор ПСО-2-4 в сеть: нажать клавишу «сеть», при этом загорается сигнальная лампа.

3.      Нажать клавиши «N», «100», все остальные находятся в отжатом состоянии.

4.      Нажать клавиши «проверка», «стоп», затем «сброс», «пуск», если на табло высвечивается «10000», то прибор готов к работе. Отжать клавишу «проверка».

5.      Изменяя напряжение от 280 В до 600 В через каждые 40-50 В, снять зависимость скорости счета импульсов N от напряжения U, приложенного к счетчику Гейгера-Мюллера. Для этого установить напряжение на счетчике по вольтметру, нажать клавишу «пуск» на ПСО-2-4, снять отсчет N после того, как погаснет лампочка индикации «счет». Результат измерения соответствует количеству импульсов за 100 с. Сделать пересчет количества импульсов за 1 с для каждого измерения.

6.      Закончив замеры, нажать клавишу «стоп», «сброс» и отключить прибор нажатием клавиши «сеть». Результаты измерений занести в таблицу.

Таблица результатов

№

 

U, В

 

 

 

7. По данным измерений построить график зависимости N = f(U).

8. Определить протяженность области Гейгера и рабочее напряжение счетчика.

 

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1.  Сформулируйте цель работы.

2.  Каково устройство счетчика Гейгера-Мюллера?

3. Каково устройство установки для снятия счетной характеристики?

4.  Что называется счетной характеристикой?

5.  Поясните ход работы.

6.  Как выбирается рабочее напряжение счетчика?

 

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1.  Каковы природа и состав космических лучей?

2. Каков принцип работы счетчика Гейгера-Мюллера? Поясните вольтамперную характеристику счетчика.

3. Назовите виды счетчиков Гейгера-Мюллера. Какое излучение регистрирует счетчик Гейгера-Мюллера, применяемый в данной работе?

4. За счет чего достигается большое значение коэффициента газового усиления?

5. Каковы рабочее напряжение исследуемого счетчика, протяженность области Гейгера?

6. Чем отличаются пропорциональные счетчики от счетчиков Гейгера-Мюллера?

 

Список рекомендуемой литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн.2. Электричество и магнетизм. - М.: АСТ, 2002. - 336 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш. шк, 2002. - 542 с.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высш. шк., 2002. - 718 с.

 

 

Хостинг от uCoz