4.3.3 Счетчик Гейгера-Мюллера и его параметры

Цель работы: изучение методов регистрации ядерных частиц и исследования характеристик счетчика Гейгера-Мюллера.

Приборы и оборудование: счетчик Гейгера-Мюллера, ЛАТР, счетчик электрических импульсов, электронное устройство управления работой счетчика, секундомер, радиоактивные препараты.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис.1. Счетчик Гейгера-Мюллера укреплен в специальной кассете, в которой могут устанавливаться и исследуемые радиоактивные образцы.

Работа счетчика обеспечивается специальной электронной схемой управления, в которой могут быть предусмотрены элементы для уменьшения мертвого времени и для сопровождения каждого разряда звуковым и световым сигналами. Напряжение питания электронной схемы управления и самого счетчика может плавно регулироваться ЛАТРом. Счетчик электрических импульсов считает число разрядов в счетчике Гейгера-Мюллера.

Рис.1

ЗАДАНИЯ

Построить рабочую характеристику счетчика в пределах напряжения от 140 до 220 В с шагом 10В; измерения представить в виде таблицы и графика. Отметить на графике область пропорционального усиления и область счетчика Гейгера-Мюллера.

Определить методом двух источников мертвое время  детектора, работающего в режиме счетчика Гейгера-Мюллера.

Выполнить основное задание данного исследования

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Укажите основные типы детекторов ядерных частиц. Назовите их основные характеристики, принципы действия и приведите соответствующую классификацию. Назовите область применения каждого из классов детекторов

Что такое мертвое время счетчика Гейгера-Мюллера? Как оно сказывается на результате измерений? Как определить его значение?

Объясните работу масс-спектрометра с приведением соответствующих расчетов.

4.3.4 Исследование b-активности изотопа калия 19к40

Цель работы: изучить методику исследования отдельных свойств радиоактивных препаратов.

Приборы и принадлежности: Счетчик-секундомер электронный, торцовый счетчик, секундомер, препарат ₁₉К⁴⁰, источник питания.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для измерения -активности (А_) препарата, изготовленного из некоторого радиоактивного элемента, препарат помещают вблизи счетчика и измеряют число частиц N_t, зарегистрированных счетчиком за некоторый промежуток времени t. Разделив N_t на t получают скорость счета частиц: , которая характеризует активность препарата, но не равна ей. Различие между N_o и A_ возникает по нескольким причинам:

1. Часть излучения, зарегистрированного счетчика, была испущена не препаратом, а окружающими предметами, Землей или принадлежит космическому излучению. Эту долю излучения называют фоном.

2. Препарат излучает -частицы по всем направлениям. Поэтому часть их проходит мимо рабочего объема счетчика.

3. Часть испущенных препаратом частиц поглощается в самом препарате, в воздухе, материале окошка счетчика.

Анализируя перечисленные факторы, получим формулу для расчета активности препарата:

A=К(N-N_ф) (1)

где К – постоянная для данной экспериментальной установки величина (К=108), N_ф – скорость счета фона.

Далее учтем, что изотоп ₁₉К⁴⁰ участвует в двух типах -распада, а именно: ^-распаде и К-захвате. На долю К-захвата приходится 11% всех радиоактивных процессов в ₁₉К⁴⁰, но этот тип распада не регистрировался нашей установкой. Следовательно, -активность данного препарата в 1,11 раза больше, чем определено формулой (1):

А_=1,11А=1,11К(NN_ф). (2)

Распад ₁₉К⁴⁰ сопровождается и -излучением, к которому счетчик Гейгера-Мюллера чувствителен. Поэтому при измерении скорости счета фона следует не удалять препарат от счетчика, а накрыть его алюминиевой пластинкой, которая поглощает -частицы и пропускает -излучение. Очевидно, что по такой методике по формуле (11) определится именно -активность препарата. Удельная -активность (-активность, приходящаяся на единицу массы образца) определится по формуле: , где m – масса препарата.

Период полураспада Т короткоживущих элементов рассчитывается по экспериментальным данным изменения во времени активности препарата. Для долгоживущих элементов, каким является ₁₉К⁴⁰, таких измерений провести нельзя, так как активность препарата долгие годы остается практически неизменной. Однако при наличии препарата с известным количеством атомов исследуемого радиоактивного изотопа, определив его абсолютную активность А_, можно рассчитать Т.

Поскольку А_=n, то

.

Число радиоактивных ядер в препарате n рассчитаем из следующих соображений:

1. Природный калий химически очень активное вещество, поэтому препарат изготовлен из его соединений – хлористого калия (KCl). Зная массу образца m, найдем число атомов калия n_K в нем:

,

где  - молярная масса КCl, N_А – число Авогадро.

2. Природный калий в основном состоит из стабильного изотопа ₁₉К⁴⁰ и имеет примесь радиоактивного изотопа в количестве 0,119%. Поэтому концентрация радиоактивных частиц n в образце:

.

Следовательно:

.

N_A=6,02*10²³ моль^-1; m = 3,35 г; μ=74,5 г/моль; Т=1.42*10⁹ лет.

ЗАДАНИЯ

Ознакомиться с предложенной для измерений экспериментальной установкой, с правилами использования всех приборов; изобразить схематически данную установку.

Измерить скорость счета фона и -излучения препарата

Убрать алюминиевую пластинку и измерить скорость счета частиц фона и частиц радиоактивного препарата вместе

Рассчитать удельную -активность природного калия. Рассчитать период полураспада Т. Сравнить полученные данные с табличными значениями.

Выполнить основное задание данного исследования

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что называется активностью радиоактивного препарата? Какова его количественная характеристика?

Что такое -распад? Какова его природа? Назовите три типа -распада.

Объясните принцип работы лабораторной установки. Какими соотношениями она описывается?

Какой радиоактивный изотоп присутствует в исследуемом образце? Какова схема его распада? Искусственный это изотоп или естественный?

Почему в настоящей работе образец при измерении фона накрывают алюминиевой пластинкой?