
Нижегородский Государственный Технический Университет
Кафедра «Атомная и ядерная физика»
Лабораторная работа №12
Исследование поглощения γ-излучения в веществе
Горький
1980
Исследование поглощения γ-излучения в веществе
Целью работы является экспериментальная проверка закона поглощения γ-излучения в веществе, определение линейных коэффициентов поглощения γ-излучения в различных поглотителях и оценка энергии γ-квантов источника.
ВВЕДЕНИЕ
Кванты электромагнитного излучения, проходя через материальную среду, могут: поглощаться атомами среды (фотоэффект), испытывать рассеяние на атомных электронах (комптоновское рассеяние) и вызывать рождение электрон-позитронных пар. При рассмотрении взаимодействия γ-излучения с веществом все эти три процесса надо учитывать и, соответственно, полное сечение взаимодействия может быть представлено в виде:
(1)
Так как каждый акт взаимодействия γ-кванта с атомом вещества приводит либо к полному исчезновению кванта, либо к существенному изменению направления его движения, интенсивность I параллельного пучка лучей, прошедшего в поглотителе путь X, убывает с увеличением X по экспоненциальному закону
(2)
Согласно этому закону быстрота убывания интенсивности пучка γ-излучения в среде характеризуется линейным коэффициентом поглощения μ, который связан с полным эффективным сечением (1) соотношением:
(3)
Где A-атомная масса;
ρ-плотность поглотителя;
No- Число Авогадро;
Таким образом,
можно рассматривать как сумму трёх
коэффициентов:
(4)
На рис.1 изображена зависимость от энергии γ-квантов линейного коэффициента поглощения μ и его компонент μф, μк и μп для свинца и полного линейного коэффициента поглощения μ для алюминия. Так же коэффициента поглощения можно определить из табл.1 в приложении 3.
Для проверки закона поглощения γ-квантов в веществе и определения линейного коэффициента поглощения предварительно преобразуем соотношение (2). Логарифмирование даёт:
или
Полученные соотношения
представляют собой линейные зависимости
функций
|
Рис.1 |
|
Для прямой, изображающей графически
зависимость (6),
|
Рис. 2 |
снимается зависимость,
и дальнейшая обработка экспериментальных
данных ведётся с учётом этого
обстоятельства. Использование же хорошо
изученной теоретически и экспериментально
зависимость поглощения γ-квантов от их
энергии позволяет по найденному значению
μ оценить
энергию γ-квантов, а для свинца также и
вклад, вносимый в
μ каждым из видов взаимодействия,
то есть величины μф,
μк и μп.
Экспериментальная установка
Блок-схема экспериментальной установки изображена на рис.3
Рис.3
Источником γ-излучения S,
является радиоактивный препарат
,
помещаемый в специальный защитный
контейнер. Выделенный с помощью
коллиматоров узкий пучок γ-квантов
после прохождения поглотителя П попадает
на газоразрядный счетчик блока БГС-3.
Возникающие в этом блоке импульсы, после
предварительного усиления, регистрируются
пересчётной установкой ПС-20.
Питание схемы производится от высоковольтного выпрямителя ВСВ-20.
Правила техники безопасности в данной работе
При работе в лаборатории ядерной физики студент обязан строго соблюдать общие положения инструкции по технике безопасности, а при выполнении данной работы иметь в виду также следующее:
При снятии счётной характеристики подаваемое на счетчик напряжение не должно превышать 1100 В.
Пересадку γ-источника из контейнера на рабочее место и с рабочего места обратно в контейнер может производить только лаборант или инженер.
Пластинки поглотителя должны устанавливаться на стойки сверху.
Задание
Снять экспериментальную зависимость интенсивности пучка γ-квантов от толщины поглотителя для указанных преподавателем материалов (свинец, железо, алюминий).
На основании полученных данных определить полные линейные коэффициенты поглощения μ для исследованных материалов, а для свинца также и вклад каждого из видов взаимодействия, то есть величины μф, μк и μп.
Вычислить полное эффективное сечение взаимодействия γ-квантов используемого в работе источника .
Порядок выполнения работы и обработка экспериментальных данных
По инструкции ознакомиться с приборами и подготовить их к работе.
Выполнив необходимые измерения, построить счётную характеристику и, выбрав рабочее напряжение, подать его на счётчик.
Измерить фон со статистической точностью 5%.
При снятии зависимости измерения проводятся для 6-8 различных значений толщины Х каждого из исследуемых поглотителей, начиная со значения Х=0. При этом желательно толщину поглотителя изменять на одну и ту же величину. (Рекомендуемые интервалы: свинец-0,5 см, железо- 0,6 см, алюминий- 0,8 см). Измерения должны проводиться с одной и той же статистической точностью 1-2% для всех значений толщины поглотителя.
Из всех полученных замеров исключит фон.
Для каждого из поглотителей построить зависимость
. Для этого на график нанести экспериментальные точки
и отложить их погрешности
. Затем через полученные области
провести плавную линию, которая в данном случае должна представлять собой прямую линию. По тангенсу угла наклона этой прямой с осью абсцисс и определяется μ. Очевидно, что через указанные области можно провести множество прямых. Из этого множества надо выделить три прямые, не противоречащие экспериментальным данным: с максимальным и минимальным наклоном и среднюю. Каждой из них соответствует своё значение коэффициента поглощения.
Отсюда
,
Где
.
Более точно коэффициент поглощения можно определить, используя метод наименьших квадратов. Эту более точную оценку μ и его погрешности
нужно сделать, ознакомившись с изложением метода наименьших квадратов в приложении 1 к данному описанию. Результат сравнить с оценкой, полученной по методу, изложенному в пункте 6.
С помощью графиков Приложения 3 по найденному значению коэффициента поглощения μ определить энергию γ-квантов. Сравнить результаты, полученные для различных поглотителей.
Используя график рис.1 , определить для свинца μф, μк и μп, соответствующие найденному значению энергии
.
Используя формулы (3) и (4), определить полное эффективное сечение взаимодействия σ для каждого поглотителя, а для свинца и сечения
, соответствующие различным видам взаимодействия γ-излучения с веществом.
Экспериментальные данные и результаты их обработки рекомендуется представить в виде таблицы, в которой все подлежащие нахождению величины должны быть представлены с указанием точности их определения.