МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»

Компьютерная версия лабораторных работ по ядерной физике

Методические указания

Чебоксары 2007

УДК 539.1.075.8

Составитель: В.А. Александров

Компьютерная версия лабораторных работ по ядерной физике: метод. указания/ сост. В.А. Александров; Чуваш. ун-т. – Чебоксары, 2007. – 36 с.

Содержат шесть лабораторных работ по курсу ядерной физики, которые выполняются на ПЭВМ методом компьютерного моделирования реальных экспериментальных установок. Помогают выполнить лабораторные работы ядерного практикума и обработать результаты измерений.

Для студентов III курса специальностей «Физика», «Математика», «Химия» и других, выполняющих общий ядерный практикум.

Утверждено Методическим советом университета

Отв. редактор: доктор физ.-мат. наук, профессор Г.Г. Телегин

КОМПЬЮТЕРНАЯ ВЕРСИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

Методические указания

Отв. за выпуск А.Н. Антонова

Подписано в печать 28.12.07. Формат 60х84/16. Бумага газетная.

Печать оперативная. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 2.09. Уч.-изд. л. 1.86. Тираж 100 экз. Заказ № 968.

Чувашский государственный университет

Типография университета

428015 Чебоксары, Московский просп., 15

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Пособие разработано на основе лабораторного практикума по ядерной физике [1]. Из указанного пособия были выбраны шесть основных работ и написаны программы на языке высокого уровня QuickBasic, моделирующие реальные измерительные установки. Разъяснены особенности моделирования экспериментальных установок на ЭВМ и методика выполнения работ. Для более глубокого освоения студентами методов измерений и обработки результатов приведены таблицы измерений, рабочие формулы для обработки данных и графические иллюстрации.

Рассмотрены важнейшие детекторы ядерных излучений:

• счетчик Гейгера-Мюллера;

• искровой счетчик;

• сцинтилляционный детектор;

• фотоэмульсионный метод регистрации ионизирующих излучений;

а также работы:

• дозиметрия ионизирующих излучений;

• математическая обработка результатов измерений (комплексная проверка аппаратуры).

Компьютерное моделирование, разумеется, не должно заменять собой работу студентов на реальных физических установках. В то же время компьютерные программы позволяют оперативно менять «параметры» физических установок, используемые «источники ионизирующего излучения» и условия эксперимента. Данное обстоятельство придает работе студентов исследовательский характер. Важной является также возможность проведения лабораторных работ по ядерной физике в организациях, еще не получивших лицензии на право проведения работ с источниками ионизирующего излучения.

Работа 1.1. ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ

ИЗЛУЧЕНИЙ

Упражнения

1. Измерение естественного радиационного фона.

2. Измерение зависимости мощности дозы от расстояния.

3. Измерение зависимости мощности дозы от толщины поглотителя.

Методика моделирования

На экране компьютера изображается шкала дозиметра ДРГЗ-02, предназначенного для измерения мощности экспозиционной дозы ионизирующего излучения в единицах мкР/с. Предположим, что в данном измерении дозиметр должен зарегистрировать мощность дозы D (величина D вычисляется в программе). Пользователь выбирает один из доступных диапазонов измерения – 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 1, 3, 10, 30 или 100 мкР/с. Для того чтобы показания дозиметра флуктуировали от одного измерения к другому, программа формирует случайным образом погрешность показаний. Так, на диапазоне измерений n (n=1,2,…,9 соответственно) погрешность показаний имеет нормальное распределение (распределение Гаусса) со средним значением 0 и среднеквадратичным отклонением (СКО) мкР/с, где D_m – максимальное значение мощности дозы на шкале данного диапазона. Затем программа рисует на шкале дозиметра стрелку. В случае переполнения на данном диапазоне стрелка устанавливается в крайнем правом положении. Тогда пользователю необходимо выбрать диапазон с большим D_m. Если стрелка прибора показывает значение, близкое к нулю, можно перейти на диапазон с меньшим D_m, чтобы повысить точность измерения. Поскольку показания прибора флуктуируют, необходимо проводить несколько измерений мощности дозы с последующим усреднением.

Упражнение 1. Измерение естественного радиационного

фона

Естественный радиационный фон считается неизвестным студенту и должен быть измерен с определенной точностью в данном упражнении. В программе мощность дозы естественного радиационного фона задается с помощью номера варианта, выданного преподавателем студенту (стандартно – D=0.004 мкР/с). Необходимо заполнить таблицу, аналогичную приведенной ниже, выполнив, например, 5 измерений мощности дозы:

Di, мкР/с					Dф=<D>, мкР/с
1	2	3	4	5
0.00335	0.0018	0.0045	0.0035	0.0033	0.0033

Здесь измеренная мощность дозы естественного радиационного фона оказалась равной 0.0033 мкР/с (точное значение в программе было 0.004 мкР/с).

Упражнение 2. Измерение зависимости мощности дозы

от расстояния

Мощность дозы от источника на расстоянии r (см) определяется в программе по формуле мкР/с, где параметр A неизвестен студенту. Программа получает A с помощью номера варианта, выданного преподавателем студенту (стандартно – A=1000 мкР·см²/с). Необходимо заполнить таблицу, аналогичную приведенной ниже, выполнив, например, по 3 измерения мощности дозы для 10 различных значений r:

r, см	1/r2, см-2	Di, мкР/с			D=<D>-Dф, мкР/с
		1	2	3
5	0.04	40	40	40	40
7	2.04e-2	20.7	20.2	20.3	20.4
10	0.01	10	10	10	10
15	4.44e-3	4.6	4.4	4.4	4.46
20	0.0025	2.48	2.51	2.5	2.49
30	1.11e-3	1.15	1.19	1.15	1.16
50	0.0004	0.42	0.41	0.4	0.407
70	2.04e-4	0.215	0.203	0.216	0.208
100	0.0001	0.106	0.105	0.11	0.104
150	4.44e-5	0.0473	0.047	0.048	0.044

Из полученных усредненных значений мощности дозы необходимо вычитать естественный фон, найденный в первом упражнении. Затем построить график зависимости D от 1/r² (рис. 1.1) и провести на нем прямую линию, соответствующую теоретической зависимости. Линия должна начинаться в начале координат и наилучшим образом проходить через экспериментальные точки (можно использовать и метод наименьших квадратов). По тангенсу угла наклона прямой можно найти параметр A (здесь A=1000 мкР·см²/с, что совпадает с параметром, заложенным в программе).

Упражнение 3. Измерение зависимости мощности дозы

от толщины поглотителя

Мощность дозы от источника на расстоянии r (см) при наличии поглотителя толщиной h (мм) определяется в программе по формуле мкР/с, где параметры A и h₀ не известны студентам. Считаем, что расстояние r=5 см. Программа получает A и h₀ с помощью номера варианта, выданного преподавателем студенту (стандартно – A=1000 мкР·см²/с, h₀=2 мм). Необходимо заполнить таблицу, аналогичную приведенной ниже, выполнив, например, по 3 измерения мощности дозы для 10 различных значений h:

h, мм	Di, мкР/с			D=<D>-Dф, мкР/с	lnD
	1	2	3
0	40	40	40	40	3.69
1	24	24	23.8	23.9	3.18
2	14.8	14.7	14.9	14.8	2.69
3	9	8.9	8.8	8.9	2.19
4	5.38	5.4	5.4	5.39	1.68
5	3.3	3.27	3.27	3.28	1.19
6	1.97	1.94	1.99	1.96	0.67
7	1.2	1.21	1.2	1.2	0.18
8	0.74	0.73	0.73	0.73	-0.31
9	0.46	0.44	0.435	0.44	-0.82

Из полученных усредненных значений мощности дозы необходимо вычесть естественный фон, найденный в первом упражнении. Затем построить график зависимости lnD от h (рис. 1.2) и провести на нем прямую линию, соответствующую теоретической зависимости. Линия должна наилучшим образом проходить через экспериментальные точки (можно использовать и метод наименьших квадратов). По тангенсу угла наклона прямой можно найти параметр h₀ (здесь h₀=2 мм, что совпадает с параметром, заложенным в программе).

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Работа 1.2 СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Упражнения

1. Снятие счетной характеристики.

2. Измерение фона.

3. Измерение зависимости скорости счета от расстояния.

4. Измерение зависимости скорости счета от толщины поглотителя.

5. Измерение мертвого времени и определение его типа.