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

передаваемый через катодный повторитель на схему совпадений ССА. Питание фотоэлектронных умножителей осуществляется от высоковольтного стабилизированного выпрямителя.

Измерения. 1. Ознакомьтесь с описанием приборов в приложе­ ниях VI и VIII.

2.Включите приборы и после трехминутного прогрева устано­ вите рабочее напряжение на ФЭУ (значение напряжения указано на установке, полярность отрицательная).

3.Дайте прогреться приборам в течение 10—15 минут, проведя при этом некоторые простые предварительные опыты. Поставьте

Рис. 255. Блок-схема установки для изучения гамма-гамма-сов- падений.

умножитель, К П — катодный повторитель, ССА — схема совпадений с пересчетным устройством.

переключатель схемы ССА «Вход пересч.» в положение «Канал 1» и поднесите, а затем уберите источник Со60, наблюдая при этом за изменением счета по пересчетному блоку в схеме совпадений. По­ вторите опыт, переключив схему в положение «Канал 2». Установка должна «чувствовать» присутствие у-источника. Если этого не про­ исходит, то проверьте полярность высокого напряжения, а затем обратитесь к преподавателю.

После того как прибор начал чувствовать источник, поместите между счетчиком и источником лист бумаги, тетрадь, свинцовую плитку и убедитесь, что Вы, действительно, имеете дело с у-излу- чением. Поставьте переключатель «Кратн. совпад.» в положение «Двойные», переключатели «Счет» и «Вход пересч.» — в положение «Совпад.». Проследите, как изменяется счет совпадений при разных значениях разрешающего времени схемы совпадений. Изменяется ли счет совпадений (при фиксированном разрешающем времени), если

отодвинуть источник или поставить перед одним из счетчиков книгу? Если счет не изменяется, следует выяснить, в чем дело (самостоя­ тельно или с помощью преподавателя). Затем проделайте следующие операции:

а) При убранном источнике поставьте переключатель «Вход пересч.»-в положение «Кйнал 1» и с точностью порядка 10% измерьте фон первого счетчика. Проведите аналогичные изме­ рения для второго счетчика, переключив схему в положение «Канал 2».

б) Установите источник Со60 между двумя счетчиками и грубо измерьте скорости счета первого и второго счетчиков.

в) Поставьте переключатель «Кратн. совпад.» в положение «Двойные»; переключатели «Счет» и «Вход пересч.-» — в положение «Совпад.». Грубо измерьте скорости счета совпадений для разрешаю­ щих времени 2• 10 6, 10 6, 0,5-КГ6 секунды.

4. Исходя из времени, имеющегося для проведения работы, оцените время, необходимое для измерения по пунктам а), б), в) с целью получения м а к с и м а л ь н о й статистической точ­ ности.

5.Проведите измерения по пунктам а), б), в).

6.Определите уѴ„ п о формуле (8) для всех трех значений раз­ решающего времени. Результаты сравните между собой и объя­ сните.

7.После окончания работы отодвиньте источник от счетчиков.

ЛИТЕРАТУРА

1. К- Н. М у X и н, Введение в ядерную физику, Атомиздат, 1965, стр. 164—

Принадлежности: телескоп из трех рядов счетчиков, схема совпадений типа ССА, высоковольтный выпрямитель для питания счетчиков, набор свинцовых пластин, осциллограф.

Космические лучи вне пределов земной атмосферы (так называ­ емое первичное космическое излучение) состоят в основном из про­ тонов большой энергии. В его состав также входят а- частицы и в небольшом количестве — ядра более тяжелых элементов.

При подходе к Земле космические лучи попадают в зону действия магнитного поля Земли. Поле изгибает траектории частиц и не под­ пускает к поверхности Земли медленно движущиеся частицы. Поле, однако, не действует на частицы, летящие вдоль силовых линий.

472 VI. ЯДЕРНЛЯ ФИЗИКА

Медленные частицы могут поэтому достигать границ атмосферы лишь в области около полюсов, где силовые линии магнитного поля пересекают поверхность Земли. В области экватора на границу атмосферы могут попадать только протоны с энергией больше 1,5-ІО1» эВ.

Как уже было сказано, на больших высотах космические лучи состоят почти исключительно из протонов большой энергии. Суще­ ственно иной состав имеет космическое излучение на поверхности Земли. Так, измерение коэффициента поглощения показывает, что в составе космических лучей на уровне моря имеются две группы частиц, сильно отличающихся по своим свойствам.

Поместим счетчик, измеряющий интенсивность космических лучей, под свинцовый фильтр переменной толщины. При увеличении толщины от 0 до 8-7-10 см счет уменьшается довольно быстро, коэф­ фициент поглощения космических лучей в этой области толщин оказывается сравнительно большим.

При дальнейшем увеличении толщины поглотителя счет начи­ нает изменяться очень медленно; в этой области коэффициент по­

группа частиц носит название жесткой или проникающей компо­ ненты.

Как показали дальнейшие исследования, описанное выше чисто феноменологическое разделение космических лучей на две группы совпадает с их разделением по составу: вблизи поверхности Земли жесткая компонента состоит в основном из мезонов и протонов, а мягкая — из электронов, позитронов и фотонов.

Рассмотрим процессы, в результате которых образуются мягкая и жесткая компоненты.

При прохождении через атмосферу частицы первичного излу­ чения сталкиваются с атомными ядрами и вызывают различные ядерные превращения. Важную роль среди этих превращений играет процесс генерации л-мезонов, рождающихся при столкновении про­ тонов первичного излучения с нуклонами ядер. При этом образуются л-мезоны большой энергии. Процесс образования л-мезонов практи­ чески заканчивается на высотах около 10 км над уровнем моря. При меньших высотах резко падает число протонов первичного из- -Лучения и соответственно число вызываемых ими реакций.

Как известно, л-мезоны могут быть нейтральными или заряжен­ ными (положительными и отрицательными). Нейтральные л-мезоны практически мгновенно распадаются на два у-кванта. Эти у-кванты дают начало электронно-фотонным ливням. Заряженные л-мезоны распадаются на р,-мезон и нейтрино по схеме

л—— 11- + V,

причем время жизни л-мезона (в связанной с ним системе координат) составляет 2,6 - И)'8 секунды.

Распад я-меіонов в плотных и разреженных веществах проте­ кает существенно по-разному. В плотных веществах (фотоэмульсии) процесс торможения происходит столь быстро, что большая часть л-мезонов останавливается, нё успев распасться. В атмосфере, наоборот, я-мезоны теряют скорость очень медленно; при этом большинство л-мезонов распадается на лету. В результате таких распадов в составе вторичного излучения образуются быстрые р-мезоны.

Не взаимодействующие с ядрами р-мезоны способны проходить в веществе огромные расстояния и образуют основную часть про­ никающей компоненты.

При столкновении с ядрами протоны первичного излучения мо­ гут выбить из них один или несколько нуклонов или даже полностью разрушить ядро, образовав так называемую «звезду». Мю-мезоны, дошедшая до Земли часть первичного излучения и образовавшиеся в результате ядерных реакций быстрые протоны и нейтроны со­ ставляют жесткую компоненту космических лучей.

Рассмотрим теперь, как образуется мягкая компонента космиче­ ского излучения, состоящая, как уже сказано, из электронов, пози­ тронов и фотонов.

Быстро поглощающаяся в воздухе мягкая компонента сущест­ вует в веществе лишь постольку, поскольку она генерируется жест­ кой. В каждой среде данному количеству жесткой компоненты со­ ответствует вполне определенное количество мягкой. При смене среды происходят поэтому «переходные» процессы — поглощение излучения, являвшегося равновесным в первой среде, и замена его новым излучением, равновесным для второй среды.

Входящие в состав мягкой компоненты электроны, позитроны

ифотоны непрерывно возникают друг из друга: при столкновении

сядрами электроны и позитроны вызывают появление тормозных у-квантов, кванты в свою очередь генерируют в поле ядер элект­ ронно-позитронные пары. Так образуются электронно-фотонные ливни.

На больших высотах начало таким ливням кладут у-кванты, образующиеся при распаде л°-мезонов. У поверхности Земли основ­ ную роль играют 8-электроны (электроны отдачи, образующиеся при соударении быстрых частиц с атомами) и электроны, возникаю­ щие при распаде р-мезонов:

трон или электрон, а ѵ и ѵ — нейтрино и антинейтрино. Электро­ ны и позитроны, образующиеся в этой реакции, имеют большую

энергию, достаточную для образования ливней (подробнее см. (3], гл. IV, § 1).

Описание установки. Установка для измерения кривой погло­ щения состоит из трех рядов счетчиков и схемы совпадений марки ССА (рис. 256). Нити счетчиков каждого ряда соединены друг с дру­ гом и через сопротивление R подключены к земле. К земле присоеди­ нен также положительный полюс источника высоковольтного на­ пряжения питания счетчиков. Все корпусы счетчиков соединены вместе и подключены к отрицательному полюсу. Напряжение ис­ точника подбирается так, чтобы счетчики работали в гейгеровском режиме. Сигналы от каждого из рядов счетчиков через емкость С подаются на соответствующий вход схемы совпадений (принцип ра­ боты схемы совпадений см. в приложении VII, описание схемы ССА

т. е. от случайных совпадений. Такие три частицы, вызывающие случайные совпадения в счетчиках, могут образоваться где-либо сбоку от телескопа, например в результате ядерного расщепления. Легко видеть, что вероятность одновременного прохода трех раз­ личных частиц через три счетчика всегда существенно меньше, чем вероятность прохождения пары частиц через два счетчика.

Ясно, что, поставив четвертый или даже пятый ряд счетчиков, можно было бы еще уменьшить фон случайных совпадений. Так и при­ ходится делать, когда изучаются особенно редкие события; в на­ стоящей работе, однако, достаточно тройных совпадений.

Как упоминается в приложении VII, число случайных совпаде­ ний растет с увеличением разрешающего времени схемы совпадений, так что всегда выгодно выбирать это время по возможности малым. Минимальная его величина определяется разностью времен, кото­ рое тратят частицы с разными скоростями на то, чтобы покрыть рас­ стояние от верхнего ряда счетчиков до нижнего, и нестабильностью временного интервала, проходящего от момента пересечения счет­ чика частицей до его срабатывания. В нашем случае определяю­ щую роль играет именно эта нестабильность, составляющая около ІО'6 секунд. Разрешающее время должно поэтому выбираться около 10 6 секунд.

Измерения. 1. Поставьте регулятор высоковольтного выпрями­ теля в положение, соответствующее минимуму напряжения. Вклю-. чите выпрямитель, схему совпадений и осциллограф. После про­ грева в течение 5-у 10 минут проверьте работу схемы совпадений, как это описано в приложении VIII.

2.Поочередно подключая осциллограф к выходу каждого ряда счетчиков, постепенно увеличивайте напряжение источника пита­ ния, внимательно наблюдая за картиной на экране осциллографа

иза показаниями вольтметра. При напряжении, близком к указан­ ному на установке, на экране осциллографа должны появиться импульсы.

3.Установите рабочее напряжение на счетчиках. Отключите осциллограф. Поставьте переключатель схемы ССА «Вход пересч.»

последовательно в положения «Канал 1», «Канал 2» и «Канал 3» и определите загрузку каналов, т. е. число отсчетов, регистрируе­ мое каждым рядом счетчиков.

Проведите измерения для каждого ряда в течение 3 минут. По­ вторите опыт для напряжений, на 50 В отличающихся от выбран­ ного (в обе стороны). В исправной установке загрузка каналов не должна при этом измениться больше чем на несколько про­ центов.

4. Переключите схему ССА на счет тройных совпадений и опре­ делите число отсчетов в отсутствие свинцового фильтра. Затем, устанавливая над нижним рядом счетчиков свинцовые пластинки, точка за точкой снимите кривую поглощения космических лучей. Толщину фильтра в интервале от 0 до 10 см увеличивайте шагами по 2 см, а при больших толщинах — через 4 см. При каждой тол­ щине фильтра следует набирать не менее 100 отсчетов. Кривую по­ глощения нужно снять дважды: один раз при увеличении толщины фильтра от 0 до 18 см, а второй раз при уменьшении его толщины. Всего для каждой толщины фильтра должно быть получено не менее 200 отсчетов.

Запись и обработка результатов. Результаты измерений запи­ шите в таблицу, причем оба числа, полученных для каждой толщины фильтра, укажите отдельно. Нужно убедиться, что результаты не

476 VI. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

имеют временного хода, т. е. время набора 100 отсчетов в конце опыта не оказывается систематически больше или, наоборот, си­ стематически меньше, чем время, которое требовалось для этого в на­ чале опыта. При отсутствии такого хода нужно усреднить оба изме­ рения, а при его наличии — продумать, как следует поступать с име­ ющимися результатами. В этом случае полезно обратиться за сове­ том к преподавателю. Усредненные но двум измерениям значения времени запишите в таблицу. Затем для каждой толщины фильтра вычислите среднее число срабатываний в минуту и найдите ожидае­ мую погрешность результата.

Постройте график зависимости числа отсчетов от толщины филь­ тра. На графике обязательно должны быть указаны статистические ошибки. Из графика вычислите коэффициенты поглощения для мяг­ кой и для жесткой компонент космического излучения (по участ­ кам 0—4 и 8—12 см), а также величину ошибки, с которой эти коэф­ фициенты могут быть найдены по имеющимся результатам.

Зная геометрию установки и загрузку каждого из каналов без фильтра и считая, что интенсивность космических лучей зависит от вертикального угла Ѳ по закону / (Ѳ) = /„cos2 ѳ, оцените число истинных совпадений, которого следовало бы ожидать при отсут­ ствии фильтра. Сравните это число с измеренным. Объясните при­ чину наблюдаемого различия.

Проэкстраполируйте кривую поглощения жесткой компоненты к нулевым толщинам и найдите отношение интенсивностей мягкой и жесіжой компонент. Вычислите ожидаемую погрешность в опре­ делении этого отношения. Сравните полученные результаты с таб­ личными (см. [31, стр. 16 и 30).

Контрольные вопросы

1.Могут ли в первичном излучении присутствовать нейтроны, мезоны, элект­

роны?

2.Как меняются интенсивность и состав космических лучей при прохож­ дении через атмосферу?

5. Может ли телескоп из гейгеровских счетчиков регистрировать у-кванты? 6'. В работе применен телескоп из трех рядов счетчиков. Какую роль играет средний ряд? Как изменятся результаты измерений, если средние счетчики от­

Р а б о т а 79. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Принадлежности: телескоп из двух рядов счетчиков, схема совпадений ССА, выпрямитель.

Прохождение космических лучей через атмосферу представляет собой сложный процесс постепенного поглощения первичной ком­ поненты и образования вторичной компоненты, возникающей при взаимодействии быстрых частиц с ядрами и атомными электро­ нами, содержащимися в воздухе. Это изменение состава космиче­ ского излучения происходит в основном на больших высотах; вбли­

нечно, и с рассеянием, т. е. изменением направления полета. Для быстрых частиц, однако, рассеяние не вызывает заметного переме­ шивания частиц, летевших вначале в разных направлениях; вто­ ричные частицы в существенной мере сохраняют направление первичных.

Исследование углового распределения космических лучей на уровне моря показывает, что их интенсивность резко зависит от направления, быстро увеличиваясь при переходе от горизонталь­ ного направления к вертикальному. Качественно такая зависимость представляется вполне естественной, поскольку для вертикально летящих частиц толщина пройденного слоя атмосферы является минимальной.

Найти формулу, описывающую интенсивность космических лу­ чей в зависимости от угла падения, теоретическим путем не удается.

Вэтой формуле / (Ѳ) — интенсивность космического излуче­ ния, составляющего, с вертикалью угол Ѳ, /0 — значение I (Ѳ) для угла Ѳ= 0.

Интенсивностью излучения называется отнесенное к единице телесного угла количество частиц, падающих под данным углом к вертикали на единичную площадку в единицу времени. Соответ­ ственно / (Ѳ) имеет размерность см-2 -с^1 -срД

Впредлагаемой работе угловое распределение космических лучей исследуется с помощью телескопа, состоящего из двух рядов счетчиков Гейгера типа СГ-5 (рис. 257). В работе 78 описаны входя­ щие в состав установки радиотехнические схемы, а также методы их проверки и накладки. Ограничимся поэтому несколькими крат­ кими указаниями.

это обычно бывает в работах с космическими лучами, главную трудность представляет набор достаточной статистики. Поэтому имеющееся в распоряжении студента сравнительно небольшое время опыта должно быть использовано очень разумно.

Хорошо известно, что радиотехнические устройства начинают стабильно работать лишь после достаточного прогрева. Установку следует включать поэтому в самом начале занятия. Нужно также помнить, что первые экспериментальные результаты обычно бывают получены при не вполне стабильно работающей установке. Опыты, которые ставятся вначале, не должны поэтому требовать большого времени и должны обязательно повторяться в конце работы. Лучше

сять, так как время, в течение которого снимается каждая точка, при увеличении числа углов соответственно уменьшается. О выборе числа углов можно высказать некоторые качественные сообра­ жения.

При любой постановке опыта должны быть проведены измере­ ния при угле Ѳ= 90° (или близком к нему), так как результат этого опыта определяет фон установки, который должен быть вычтен из всех остальных результатов. Должны быть проведены также изме­ рения при Ѳ= 0. Ясно, что полученные два результата не остав­ ляют никаких возможностей для проверки ожидаемого закона рас­ пределения, так как прямую можно провести через любые две точки. Лишь при трех рабочих углах впервые появляется возможность