книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

разброс оказывается еще больше, поскольку в кристалле могут поглощаться различные доли энергии кванта. Остальная энергия уносится рассеянным квантом, а также комптоновскими электро­ нами или фотоэлектронами, если они образовались вблизи от гра­ ницы кристалла.

Фотоэлектронные умножители генерируют шумовые импульсы, амплитуда и средняя частота которых у дешевых, так называемых «счетных» ФЭУ, сравнительно велики. Поэтому при всех рабочих значениях порога дискриминаторов регистрируются не только полезные сигналы, но и импульсы шума. Вследствие этого на счет­ ной характеристике отсутствует горизонтальный участок — «плато». Наклон характеристики определяется качеством и размерами кристалла, характеристиками фотоэлектронного умножителя, а также спектром энергии и видом регистрируемого излучения.

Для выбора рабочего напряжения ФЭУ снимают счетную харак­ теристику при открытом коллиматоре и фоновую — так называемую «шумовую» характеристику.

Для снятия шумовой характеристики следовало бы удалить с фотокатода сцинтиллирующий кристалл. В данной работе мы огра­ ничиваемся тем, что закрываем коллиматор толстой свинцовой пробкой, которая полностью поглощает все у-кванты, излучаемые радиоактивным источником. В этом случае к регистрируемым пересчетной схемой импульсам шума добавляется небольшое коли­ чество сигналов, обусловленных космическими лучами и радио­ активными загрязнениями.

Измерения. 1. П р о в е р к а п е р е с ч е т н о й с х е м ы . Включите питание пересчетной схемы и дайте ей прогреться в тече­ ние З-і-5 минут. Установите с помощью клавиши «Сброс» нулевое положение на декатронах. Нажмите на клавишу «Проверка». При этом от сети на вход пересчетной схемы подаются сигналы с частотой 50 Гц. Через 60—100 секунд остановите пересчетную схему. Схема исправна, если зарегистрированное число отличается от расчетного не более чем на 0,5%.

2. В к л ю ч е н и е в ы с о к о в о л ь т н о г о в ы п р я м и ­ т е л я . Перед включением установите переключатели «Высокое напряжение», «Грубо» и потенциометр «Плавно» в крайнее левое положение, а переключатель «Полярность» на знак «—». Включите тумблер «Сеть» и дайте схеме прогреться в течение З-і-5 минут. Включите питание ФЭУ переключателем «Высокое напряжение».

3. С н я т и е ш у м о в о й н е ч е т н о й х а р а к т е р и с т и к с че т чика . Выб о р р а б о ч е г о н а п р я ж е н и я . Начните работу со снятия шумовой характеристики счетчика. Закройте коллиматор свинцовой пробкой. На выпрямителе установите переключатель напряжения «Грубо» и потенциометр «Плавно» в крайнее левое положение, а на пересчетной схеме включите режим ручного управ­ ления (см. приложение VIII). Нажмите на клавишу «Пуск».

442 VI. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Наблюдая за пересчетной схемой, переводите переключатель «Грубо» вправо до тех пор, пока пересчетная схема не начнет считать. Затем вернитесь на одно положение влево. При этом счет должен прекра­ титься. Переключив пересчетную схему в режим остановки через 10 секунд, изменяйте напряжение на ФЭУ скачками по 50 В и запи­ сывайте число зарегистрированных схемой сигналов. Когда потен­ циометр «Плавно» достигнет крайнего правого положения, то перед переводом переключателя «Грубо» на следующую ступень, потен­ циометр «Плавно» поверните до упора влево. Сначала доведите измерения до ориентировочного значения рабочего напряжения, которое указано на установке. Затем проведите измерения при не­ сколько больших напряжениях. При измерениях в этой области соблюдайте осторожность, чтобы не испортить детектор. Не повы­ шайте напряжение выше предельной величины, указанной на уста­ новке.

Счетную характеристику снимите при тех же напряжениях, что и шумовую. Результаты занесите в таблицу, в которую запишите также отношение п = Л'счетн/УшумаПостройте обе характеристики на одном графике. Нанесите на него кривую «л». Выберите рабочее напряжение.При этом полезно иметь в виду следующие соображения. При малых напряжениях ««» велики, и поэтому в таком режиме может оказаться выгодно работать, в особенности если эффект сравним с фоном. Однако при этом скорость счета мала и время измерений может оказаться слишком большим. Кроме того, счетная характеристика при низких напряжениях идет сравнительно круто, и небольшие нестабильности напряжения питания ФЭУ искажают результаты измерений. Обычно выбирают рабочую точку в середине пологой части кривой.

деления коэффициентов поглощения измерьте число частиц, попа­ дающих в счетчик в единицу^времени в отсутствие (7Ѵ„) и в присутст­ вии (N) поглотителя. Коэффициент поглощения вычисляется затем по формуле (5).

При вычислении N0 и N из показаний прибора необходимо вычесть фон, который обусловлен посторонними частицами: косми­ ческим излучением, у-квантами от соседних источников, квантами, рассеянными на стенах комнаты и в стенках прибора, И т. д.

Для определения фона закройте коллиматор толстой свинцовой пробкой. Оставшийся счет не связан, очевидно, с квантами, летя­ щими в пучке.

Статистическая точность результатов определения фона должна быть не хуже 1%.

Определите поглощение у-лучей при разных толщинах образца, затем постройте кривую зависимости логарифма числа оставшихся частиц от толщины образца. Постройте два таких графика: в одном

из них выразите толщину в миллиметрах, а в другом в граммах на квадратный сантиметр. Коэффициент поглощения найдите графически. Проведите измерения для свинцовых, железных и алю­ миниевых образцов. Точность результатов должна быть не хуже 196. На графиках укажите ошибки измерений.

Сравнивая полученные результаты с графиком рис. 242, оцените среднюю энергию у-лучей, испускаемых источником.

ввакууме невозможно.

3.Можно ли из данных по измерению фотоэлектрического коэффициента поглощения у-лучей для свинца вычислить значение этого коэффициента для алюминия?

4.Оцените возможные систематические ошибки опыта.

5.При каких предположениях справедлив экспоненциальный закон погло­ щения фотонов? Справедлив ли он для комптоновского рассеяния?

6. Приведите примеры процессов, в которых у-кванты проявляют вол­

Принадлежности: сферическая ионизационная камера с ламповым электро­ метром «Кактус», форвакуумный насос с манометром, цилиндрическая камера с люминофором и фотоумножителем, камера с торцовым счетчиком, пересчетная установка.

I.Измерение пробега сс-частиц 94Ри239

искорости распада источника

спомощью ионизационной камеры

Как известно, при торможении быстрых частиц.в воздухе одна пара ионов образуется на каждые 35 эВ.энергии, потерянной час­ тицей. Таким образом, а-частица, обладающая энергией в несколько миллионов электрон-вольт, способна образовать громадное коли­ чество'пар ионов. Естественно, что величина импульса тока, возни­ кающего в ионизационной камере, практически обусловлена только

444 VI. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

этими ионамй, а не зарядом самой а-частицы. Наибольший импульс происходит поэтому в том случае, когда а-частица растрачивает всю свою энергию в газе камеры и не достигает ее стенок.

Полное поглощение а-частиц газом, наполняющим камеру данных размеров и формы, возможно только при достаточной плот­

лонный и горизонтальный участки кривой до пересечения. Найден­ ный таким образом пробег должен быть затем приведен к нормальной температуре и давлению. Вывод соответствующих формул мы предо­ ставляем читателю.

Альфа-частицы, испускаемые <)4Ри239, состоят из трех моноэнер-

с поверхности препарата и не только в сторону газа (отметим, кроме того, что число пар ионов,

образуемых а-частицей, потерявшей в газе данное количество энер­ гии, само несколько флюктуирует). Частицы, вылетевшие из глу­

с амплитудой от нуля до некоторого максимального значения.

Этот эффект был бы особенно заметен в камере с плоскими элек­ тродами, так как в такой камере импульсы разной величины могут получаться при разных направлениях вылета а-частиц относительно электродов. Так, частица, вылетающая перпендикулярно электроду, достигает второго электрода, сохранив заметную скорость, в то время как другая частица, вылетающая под острым углом, расходует на ионизацию газа всю свою энергию.

Сферическая камера, у которой центральным электродом является небольшой (сравнительно с размерами камеры) диск с нанесенным тонким слоем плутония, свободна от этого недостатка. (Избавиться от него можно и в плоской камере, если установить над источником коллиматор, содержащий большое число тонких цилиндрических каналов, пропускающих только те а-частицы, кото­ рые вылетают из источника в узком конусе, описанном вокруг нор­ мали к его поверхности).

Напряжение на камере подбирается так, чтобы камера работала в области плато (см. приложение V). В нашей схеме на камеру подается 220 В.

В настоящей работе исследование пробега а-частиц производится по средней величине тока ионизации в сферической камере. Внутрен­ ним электродом ионизационной камеры является диск диаметром 5 мм; на диск нанесен тонкий слой плутония 94Ри239, покрытый сверху тонкой пленкой клея. Вторым электродом служит внешняя оболочка камеры — полый шар с внутренним диаметром 100 мм. Оба электрода тщательно изолированы один от другого и от земли. Вакуумная установка содержит краны и манометр. Она позволяет изменять давление в камере от атмосферного до 10 мм рт. ст.

Величина тока ионизации измеряется с помощью стандарт­ ного лампового электрометра «Кактус», упрощенная схема которого изображена на рис. 246. Электрометр представляет собой двух­ каскадный усилитель постоянного тока, собранный по мостовой схеме. Ионизационный ток камеры протекает по сопротивлению Ru равному при наибольшей (ХІ) чувствительности электрометра 1011 Ом. При переключении на другие ступени чувствительности (X 10, X 100, X 1000 и X 10 000) это сопротивление заменяется соот­ ветственно сопротивлениями 1010, ІО9, ІО8 и ІО7 Ом. Падение напря­ жения на і?! подается на одну из сеток двойного тетрода 2Э2П и вызывает разбалансировку напряжения в диагонали моста ААХ. Это влечет за собой изменение напряжения на сетках двойного триода 6Н15П, входящего в состав второго каскада электрометра.

Второй каскад также представляет собой мост, в диагональ которого ВВг включен измерительный стрелочный прибор. По его показаниям можно судить о величине ионизационного тока /.

ко входу «Кактуса» должна быть подключена стандартная камера ДИГ). Чтобы использовать электрометр для измерения ионизаци­ онного тока в сферической ионизационной камере, его нужно про­ градуировать заново. Для этого на вход прибора следует подать небольшое известное напряжение Е, снимаемое с делителя, который питается от аккумулятора (рис. 246). Напряжение на камере при этом должно быть, конечно, выключено (при помощи тумблера «Вклю­ чение камеры»). Шкала выходного прибора «Кактус» может, таким

Рис. 246. Схема включения ионизационной камеры и электрометра «Кактус».

образом, быть откалибрована в вольтах. Зная сопротивление R lt нетрудно произвести градуировку прибора по току I, текущему через камеру.

Кроме измерительной схемы, «Кактус» имеет сигнальное устрой­ ство, включаемое параллельно измерительному прибору. Это устрой­ ство дает сигнальные звонки при отклонении стрелки на всю шкалу и используется только при употреблении прибора в качестве дози­ метра. В нашей работе сигнальное устройство отключено.

Сделаем несколько пояснений к схеме рис. 246. Заметим прежде всего, что все питание прибора (включая накал электрометрической лампы 2Э2П) осуществляется от одного источника постоянного

тока. Такой способ питания схемы позволяет изготовлять приборы

происходит рост напряжения от каскада к каскаду. Сетки первой лампы 2Э2П находятся практически при потенциале Земли. Сетки второй .лампы 6Н15П находятся уже при потенциале, равном анод­ ному потенциалу первого каскада. Чтобы избежать положительных смещений на сетках второго каскада, катод этого каскада прихо­ дится «приподнимать» до потенциала, несколько превышающего потенциал сеток. Этим объясняется выбор точки делителя, к которой присоединяется катод этой лампы. Рекомендуемый порядок вклю­ чения прибора указан в приложении VIII.

Измерения. L Перед началом работы включите «Кактус» и дайте ему прогреться в течение 15-І--20 минут.

2.Измерьте и запишите давление и температуру воздуха в комнате.

3.После прогрева проверьте исправность установки и произве­ дите предварительные опыты. Для этого измерьте величину тока

вионизационной камере при атмосферном давлении, а затем, наблю­ дая за стрелкой измерителя тока прибора, начните откачивать воздух. Заметьте и запишите давление, при котором ток через камеру начинает уменьшаться. Продолжая откачку, запишите приближен­ ные значения давления и тока еще в 4-г—5 точках. Закончите откачку, когда давление достигнет Ю-г-20 мм рт. ст.

4.Результаты приближенных . измерений представьте в виде графика, который используйте для составления плана измерений. Заметим, что план измерений определяется их целью. Так, если бы мы хотели исследовать детальный ход кривой, то наибольшее число точек следовало бы иметь в месте нерегулярного хода зависимости. В нашей задаче мы должны измерить так называемый экстраполиро­ ванный пробег, который определяется пересечением двух прямых, поэтому наибольшее число точек должно быть на прямолинейных участках. Студентам рекомендуется самим подумать, как лучше

выбрать точки для наиболее точного измерения экстраполирован­ ного пробега.

5. План измерений составьте в виде таблицы, в которую запишите величину давлений, выбранных для измерения тока. Количество точек, в которых будут производиться измерения, определяется временем, отведенным на выполнение задачи. Затем приступите

косновным измерениям.

6.Прежде всего проверьте нуль прибора. Затем с помощью крана

снебольшим сечением (так называемого натекателя) изменяйте давление в камере и измерьте ток во всех намеченных точках.

7.После окончания измерений постройте график. По графику проверьте, есть ли необходимость повторить измерения в тех или

иных точках, и определите экстраполированный пробег а-частиц в воздухе при условиях опыта. Пересчитайте найденное значение к нормальной температуре и давлению воздуха (О °С, 760 мм рт. ст.).

II.Исследование пробега а-частиц

спомощью счетчика Гейгера — Мюллера

Для определения пробега а-частиц с помощью счетчика радио­ активный источник помещается на дно стальной цилиндрической бомбы (рис. 247), в которой может перемещаться торцовый счетчик

кают к счетчику только те а-частицы, которые вылетают из источ­ ника почти перпендикулярно его поверхности.

Измерения: 1. Включите установку Б-2. Поднимите напряжение на счетчике до рабочего значения.

2. Проверьте работу установки. Для этого измерьте скорость счета при нулевом положении счетчика, затем на отметке «5 см» и снова при нулевом положении. Скорость счета обоих измерений

меньше.