Лабораторна робота №12 Космічне випромінювання та його властивості

Мета роботи: вивчення вторинного космічного випромінювання, визначення радіального розподілу його інтенсивності та оцінка абсолютного числа частинок космічного випромінювання.

Прилади та обладнання: лічильниковий “телескоп”, лічильний прилад ПСТ-100.

Теоретичні відомості

Космічними променями називається потік частинок високої енергії, що потрапляє на Землю з космічного простору.

Розрізняють первинні та вторинні космічні промені.

Первинні космічні промені спостерігаються на великих висотах від меж земної атмосфери до висоти порядку 20 км і складаються з:

• близько 86 % протонів;

• 13 % ядер гелію (альфа-частинок);

• 1 % ядер більш важких елементів.

Основні властивості первинного космічного випромінювання:

1) випромінювання ізотропне (його властивості у всіх напрямках однакові);

2) інтенсивність первинного випромінювання не змінюється з часом; дуже рідко реєструються значні зміни інтенсивності, зумовлені активними процесами на Сонці; інтенсивність випромі­нювання на висоті порядку 50 км становить 1 частинка/(см²с);

3 ) інтенсивність космічних про­менів змінюється з географічною широтою, що обумовлено магнітним полем Землі, тому поблизу планети були виявлені радіаційні пояси (рис. 1); вони являють собою дві зони, які оточують Землю, з різко підвищеною інтенсивністю косміч­ного випромінювання: зовнішня (заштрихована), верхня межа якої досягає 60000 км, а нижня – 300 км, і внутрішня (незаштрихована) від 6000 км до 300 км; зовнішній пояс складається виключно з електронів, а внутрішній, в основному, – з протонів та електронів;

4) частинки первинного космічного випромінювання мають дуже великі енергії ( ); проте, незважаючи на це, лише незначна кількість цих частинок потрапляє на поверхню Землі.

Зіткнення частинок первинного космічного випромінювання з ядрами атомів земної атмосфери призводить до ядерних реакцій, в результаті яких виникають частинки вторинного космічного випромінювання: протони, нейтрони, α-частинки, мезони, уламки ядер тощо, тобто у вторинному випромінюванні є практично всі відомі елементарні частинки.

Ч астинки вторинного космічного випромінювання також є ядерно-активними, тобто здатні викликати нові перетворення. В результаті одного чи декількох актів взаємодії ці частинки розтрачують власну енергію, досягаючи висоти порядку 10 км над рівнем моря.

До складу вторинного космічного випромінювання входять два види випромі­нювання:

1. М’яка компонента − випромінювання, що сильно поглинається свинцем. Вона складається із каскадів (зли­вів) − груп частинок космічних променів, пов’язаних поход­женням. Принципова схема утворення зливи показана на рис. 2. Електрон (чи позитрон), що виникає при розпаді такої частинки вторинного випромі­нювання як - або -мезон (частинки, що мають масу проміжну між масою елект­рона та масою протона ) за схемою

(1)

(або ),

при проходженні поблизу ядра атома повітря зазнає гальмування і випромінює жорсткий гамма-квант. Якщо він має енергію не менше

1 МеВ, то  - квант здатний утворити пару “електрон-позитрон”. Утворені електрон та позитрон , в свою чергу, можуть зазнати гальмування в полі ядер з випромінюванням гамма-квантів і т.д. до тих пір, доки енергія цих квантів стане недостатньою для утворення електронно-позитронних пар. Кількість частинок в зливі росте саме до цього моменту і, пройшовши через максимум, починає зменшуватись.

2. Жорстка компонента вторинного космічного випромі­нювання − це випромінювання, яке проникає навіть через великі товщі свинцю. В основному складається із мезонів ( -мезонів або мюонів), і її утворення відбувається переважно у верхніх шарах атмосфери за рахунок розпаду заряджених -мезонів:

  (2)

(або ).

І нтенсивність космічного випромі­нювання, що реєструється біля поверхні Землі, залежить від напряму. На рівні моря та на невеликих висотах залежність може бути представлена співвідношенням:

, (3)

д е та – інтенсивності космічного випромінювання, відповідно, у вертикаль­ному напрямі та під кутом до вертикалі. Така залежність інтенсивності від напряму пояснюється поглинанням космічного випромінювання в атмосфері. Товщина шару повітря мінімальна у вертикальному напрямі і збільшується зі збільшенням кута (товщина шару ) (рис. 3).

Вимірювати інтенсивність космічного випромінювання в заданому напрямі можна за допомогою “телескопа” – двох лічильників Гейгера-Мюллера, розташо­ваних в одній площині та ввімкнених в схему збігу (рис. 4).

Частинки, що летять в довільних напрямах, окрім АВ, проходять лише через

один лічильник і лічильною схемою не фіксуються. Якщо ж частинка пролітає через обидва лічильники одночасно, то лічильна схема (схема збігу) реєструє проходження частинки у напрямі АВ.

Н айпростіша схема збігу представлена на рис. 5. В нормальному стані обидва тріоди відкриті. На катодному резисторі анодним струмом , що протікає через нього, створюється напруга , потенціал катодів К вище нуля на величину . При одночасному надходженні двох від’ємних імпульсів на керуючі сітки С₁ та С₂ обидва тріоди закриваються, потенціал катодів падає до нуля. Тоді із загального катодного резистора знімається на вихід від’ємний імпульс, що реєструється, наприклад, декатроном.

Якщо ж імпульс від’ємний і потрапляє на сітку одного з тріодів, наприклад, лівого, то це викликає зменшення струму через останній і зменшення падіння напруги на загальному катодному резисторі. Проте, початок падіння катодної напруги приводить до того, що струм через правий тріод починає збільшуватись. Це збільшення струму повністю компенсує змен­шення струму, і на виході схеми збігу сигналу не буде.

Т аким чином, дана схема збігу зареєструє лише ті частинки, які пролітають одночасно через обидва лічильники “телескопа”, тобто остан­ній фіксує проліт частинки у напрямі

АВ. В даній роботі окрім вивчення залежності інтенсивності космічного випромінювання від напряму вимірюється абсолютна кількість частинок цього випромінювання біля поверхні Землі.

Одним з кращих методів вимірювання абсолютної кількості частинок космічного випромінювання є метод кругової установки, зображеної на рис.6. Установка складається з лічильника 1 і оточуючої його групи з’єднаних паралельно лічильників 2. Лічильники 2 перекривають всю півсферу над центральним лічильником 1. лічильник 1 і група лічильників 2 вмикаються в схему збігу. Відповідно, установка реєструє кожну частинку, яка проходить через один з лічильників групи 2 і центральний лічильник 1. Таким чином, реєструються всі частинки півсфери, що потрапляють до установки, тобто абсолютна кількість частинок космічного випромінювання поблизу нашої планети.

Оцінку абсолютного числа частинок можна отримати і за допомогою лічильного “телескопа” методом сканування – послідовної реєстрації всіх частинок в кутах від 0 до 180^о півсфери. Такий метод і використовується в даній роботі. Гамма-фон Землі та оточуючого середовища практично виключається схемою збігу, і визначати його немає необхідності.