Абрамов А.И., Пустынский Л.Н., Романцов В.П. Лабораторный практикум по курсу Ядерная и нейтронная физика

5. Выполнение работы

Для измерения функции ослабления используется поглощение электронов -источника 90Sr 90Y при прохождении их через

алюминиевые фильтры переменной толщины.

Блок-схема электрического соединения приборов представлена на рис. 4.11, где Б - измерительный бокс, У - усилитель, ПП - пересчетный прибор, БП - блок питания детектора.

Измерительный бокс.

Устройство измерительного бокса представлено на рис.4.12. Он состо: ит из сборного металлического корпуса 3 с дверцей, внутри которого имеется полость с размещенным в ней предметным столиком 5 в виде кольца. В нижней части корпуса находится поворотный диск 6, на котором в углублении помещается источник -излучения 1. Диск имеет два фиксированных положения. В положении "откр." источник вводится под отверстие в нижнем основании полости и -частицы (электроны) беспрепятственно проникают внутрь нее. В положении "закр." источник выводится из-под отверстия и -излучение полностью поглощается материалом основания. Над верхней частью корпуса раз чещено нажимное кольцо 7, которое жестко связано с предметным столиком 5. Пружины 8 служат для поджатия столика 5 к верхнему основанию по-

лости.

Внутри верхней части корпуса помещен полупроводниковый детектор (ППД) 2, который своей чувствительной поверхностью через

80

отверстие обращен к источнику 1. Расстояние между детектором и источником составляет 38 мм.

Снятие функции ослабления

1. Установить ручки управления приборов в положения, указанные в Инструкции к лаб. работе №4". Подключить шнуры питания при-

боров к сети и соответствующими выключателями включить приборы, предварительно установив диск 6 измерительного бокса в положение "закр.".

2.Проверить работоспособность схемы, для чего диск б бокса установить в положение "откр." и убедиться в наличии отсчетов на цифровом табло пересчетного прибора. Порядок управления приборами и число отсчетов за определенный интервал времени указаны в 'Инструкции к лаб. работе №4".

3.Перевести диск бокса в положение "закр." и снять величину фоновых отсчетов (фон). Количество импульсов печатается для контроля цифропечатающим устройством ЦПУ.

4.Перевести диск бокса в положение "откр.н и провести одно измерение количества импульсов без поглотителя (один импульс соответст-

81

2.По точкам линейного участка определить массовый коэффициент ослабления (толщина пластин фильтров в мг/см2) по методу наименьших квадратов.

3.Вычислить погрешность массового коэффициента ослабления.

4.По формулам (4.18) и (4.20) определить величину слоя половинного Ослабления и максимальную энергию электронов -источника. Полученное значение Ет сравнить со справочным.

Контрольные вопросы

1.Источник -излучения, детектор и схема экспериментального устройства.

2.Виды -распада.

3.Спектр -распада.

4.Виды потерь энергии -частиц в веществе.

5.Метод определения коэффициента ослабления по толщине половинного ослабления.

6.Что такое пробег электронов и особенности их движения в веществе.

Литература

1.Холев СР. Основы ядерной и нейтронной физики. 4.1. Учебное пособие. - Обнинск, 1990.

2.Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.1. Физика атомного ядра. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

83

Работа 5. Исследование поглощения гамма-излучения в веществе

Введение

Атомное ядро может иметь избыточную энергию (быть возбужденным) в результате радиоактивного распада или в результате искусственно вызванного ядерного превращения {ядерной реакции). Ядро не испытывает разрушения, если его избыточная энергия выделяется при • радиационном переходе ( -инучение) либо передается непосредственно

электронной оболочке собственного атома (внутренняя конверсия). Время жизни ядер в возбужденных состояниях определяется свойствами (спин, четность, энергия) данного состояния и нижележащих уровней энергии, на которые могут происходить радиационные переходы с испусканием -излучения. Время жизни возбужденных ядер резко возрастает с уменьшением разности энергий и с увеличением разности спинов исходного и конечного состояний. Вследствие этого у некоторых ядер наряду с основным состоянием может относительно долго (иногда годы) существовать мепшстабипьное возбужденное состояние, которое носит название изомерного состояния, а ядра, имеющне-изомерные состояния, называются изомерами. Некоторые ядра имеют несколько изомерных состояний с разными временами жизни. Известно большое число изомеров с периодом полураспада от10 6с до многих лет, тогда как среднее время жизни обычных возбужденных состояний ядер составляет величину порядка 10 10с. Распад изомеров сопровождается испусканием конверсионных электронов или -излучения. Иногда более вероятен -распад. Изомеры тяжелых ядер могут распадаться путем самопроизвольного {спонтанного) деления.

-Излучение представляет собой электромагнитное излучение,

длина волны которого существенно меньше размеров атома:

фотонов с энергией

84

Планка. Энергия излученного у-кванта определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит радиационный переход, -

Излучение может состоять из фотонов одной энергии или содержать группу фотонов с дискретными значениями энергии, т.е. иметь энерге-

тический спектр.

Так как, по сути, -излучение является потоком фотонов высокой

энергии, то оно ничем не отличается от рентгеновского излучения такой же энергии, которое возникает при возбуждении атомов, удалении атомных электронов (например, в результате внутренней конверсии) или при торможении быстрых электронов. В настоящее время поэтому фотонное излучение любого происхождения, обладающее свойством (5.1), принято называть -излучением.

Излучение, возникающее при переходе атома из возбужденного в основное состояние, известно как люминесценция. Энергия такого излучения является характерной величиной для каждого элемента. Это явление широко используется для регистрации ядерных излучений с помощью сцинтигмционных детекторов.

Если возбуждаются К — и L — уровни энергий многоэлектронных атомов, то энергия излучения может составлять от единиц килоэлектронвольт (5,5 кэВ для атома ванадия) до сотни килоэлектронвольт (116 кэВ для атома урана). Такое жесткое фотонное излучение, имеющее линейчатый энергетический спектр, называется характеристическим рентгеновским излучением. Оно широко используется для идентификации тяжелых элементов с помощью рентгено-флуоресцентного анализа (РФА), когда возбуждение атомов производится -излучением ядер с

подходящей энергией.

Торможение быстрых электронов в электрических полях ядер вещества сопровождается испусканием тормозного рентгеновского излучения. Энергетический спектр фотонов тормозного излучения имеет непрерывный характер и простирается от нуля до максимальной энергии, равной энергии быстрых электронов. Зависимость от энергии фотонов для

-Кванты являются стабильными частицами и кроме характеристики (5.2) имеют спин, равный единице , и равный нулю элек-

85

трический заряд. Масса покоя -кванта равна нулю и он, следовательно,

квантов. Можно только говорить об изменении их энергии и импульса, которые связаны между собой следующим образом:

E P c (5.3)

1. Прохождение фотонов высокой энергии через вещество

Пучок -квантов испытывает в веществе электромагнитные взаимодействия с электронами и ядрами. Однако в отличие от заряженных

-кванты не подвержены влиянию дальнодействующих куло-

новских сил, поскольку они не имеют электрического зарядл. Размеры области, в которой протекают процессы взаимодействия -квантов с

веществом, имеют характерные размеры порядка комптоновской длины волны электрона

Поэтому - кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, чем и объясняется большая проникающая способность -квантов. При столкновениях - кванты

либо поглощаются, либо рассеиваются, резко отклоняясь и изменяя свою энергию. По этим причинам для - квантов не существует понятий

пробега, максимального пробега, потерь энергии на единицу пути. При прохождении пучка - квантов через вещество энергия первичных

(нерассеянных) - квантов не изменяется, а изменяется поток этих квантов, т.е. наблюдается ослабление пучка. Характеристикой ослабления -

излучения в веществе является линейный коэффициент ослабления ,

прохождении слоя вещества толщиной dx определяется выражением

86

где I- поток -квантов, падающих на слой dx. Интегрируя по всей толщине поглотителя, получаем

В диапазоне энергий -квантов 0,05 - 10 МэВ основными процессами взаимодействия с атомами вещества являются комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование пар электрон-позитрон в электрических полях ядер. Во всех трех перечисленных процессах образуются вторичные электроны, с помощью которых обычно и регистрируются -кванты и измеряется их энергия. Коэффициент ослабления выражается через

где ак , Оф , ап - парциальные эффективные сечения процессов ком-

птоновского рассеяния, фотоэффекта и образования пар соответственно. Аналогично устанавливается связь между коэффициентом ослабления и парциальными коэффициентами ослабления:

Рассмотрим зависимость отдельных процессов взаимодействия от энергии фотонов Еу и атомного номера вещества Z (заряда ядра).

Фотоэффект - это поглощение падающего фотона одним из связанных электронов атома, который становится свободным. Кинетическая энергия свободного электрона (уравнение Эйнштейна)

где I i - - потенциал ионизации атома (энергия связи электрона) для соответствующего энергетического уровня. Фотоэффект возможен только

87

на связанных электронах и не может происходить на свободных из-за совместного действия законов сохранения энергии и импульса. После выброса фотоэлектрона образовавшийся ион имеет избыточную энергию, т.е. является возбужденным. Избыточная энергия может быть испущена в виде характеристического рентгеновского кванта при заполнении вакансии электроном с вышерасположенного уровня энергии. Кроме радиационного перехода возможно испускание электронов Оже, когда энергия возбуждения передается непосредственно одному из электронов этого же иона.

Сечение фотоэффекта в области энергий связи атомных электронов является преобладающим и быстро падает с ростом энергии фотонов, отображая общую тенденцию - чем меньше связь электрона с атомом по сравнению с энергией фотона, тем менее вероятен фотоэффект. Например, для алюминия

ф 6 10 18 см2 п р и E 1 кэВ и ф 6 10 25 см2 п р и

E =100кэВ.

Фотоэффект особенно интенсивно идет, когда энергия фотона E несколько больше (см. (5.10)) соответствующего потенциала ионизации атома. Поэтому на фоне общего уменьшения ф (E ) сечение фотоэффекта изменяется скачкообразно и наблюдаются отдельные пики, отвечающие уровням энергий I i (рис.5.1). Общая формула зависимости

о~ф(Еу) очень громоздка и рассчитана методами квантовой электродинамики.

Она показывает, что оф(Еу) ~ Еу при энергиях фотонов, немного больших

энергии /, . При энергиях, намного превышающих энергию связи 1К

электронов на К- оболочке, сечение падает медленнее, примерно как Е~ . При

этом примерно 80 % сечения фотоэффекта обусловлено взаимодействиями

фотонов с К -оболочкой.

Сечение фотоэффекта сильно зависит от атомного номера Z атомов вещества, на которых происходит фотоэффект: аф ~ Z, . Это опять таки объясняется различной степенью связи электронов в атоме. В тяжелых ядрах (при больших Z) электроны связаны кулоновски-ми силами более сильно, нежели в легких (при меньших Z ).

88

Таким образом, для сечения фотоэффекта при E > IK

(5.11)

Из (5.11) и (5.12) следует, что фотоэффект на атомах с большими Z может идти с заметной вероятностью даже при относительно высоких энергиях фотонов. Для легких атомов фотоэффект заметен только при относительно небольших энергиях фотонов. С увеличением энергии фо-

тонов фотоэффект отходит на второй план, уступая место комптонэффекту.

Комптон-эффект (комптоновское рассеяние) - рассеяние фотона на одном из свободных или слабосвязанных электронов поглотителя. Он становится заметным,

когда энергия фотонов E значительно

больше средней энергии связи электрона в атоме и комптоновское рассеяние можно рассматривать, как Рис. 5.2 упругое столкновение фотона со свободным

электроном (рис.5.2). При этом энергия фотона уменьшается на величину энергии, переданной электрону. В таком предположении из законов сохранения

энергии и импульса следует, что энергия E рассеянного фотона

одно-

89