ЧФ ПНИПУ. Лабораторные работы по физике
Министерство образования и науки российской федерации
Чайковский филиал
федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
(ЧФ ПНИПУ)
Кафедра гуманитарных и естественнонаучных дисциплин
Лаборатория физики
Атомная физика
Лабораторная работа № 1
"Методы регистрации элементарных частиц"
2011
Цель работы: данная работа посвящена изучению принципа работы сцинтилляционных счетчиков и постановке эксперимента по применению интенсивности потока заряженной компоненты космического излучения.
Сведения из теории
Элементарные частицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют, при прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе и т.д. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете, нейтральные частицы также обнаруживаются. По ионизации, вызванной порождёнными или заряженными частицами.
Элементарные частицы, образующиеся при ядерных превращениях, образуют ядерное излучение.
Термин “регистрация излучения” включает в себя не обнаружение излучения, а также измерение интенсивности, определение энергии и других свойств излучения. Система для регистрации излучения состоит из двух частей: детектора и измерительной аппаратуры. Детектор является чувствительным элементом, в котором происходит взаимодействие излучения с системой. Измерительная аппаратура воспринимает сигнал с выхода детектора и выполняет функции, необходимые для производства измерения. Работа детекторов ядерного излучения основана на различных видах взаимодействия излучения с веществом. В ряде детекторов используется ионизация, которая создаётся в них при прохождении заряженной частицы. К таким детекторам относятся:
ионизационные камеры,
пропорциональные счетчики,
счетчики Гейгера-Мюллера,
кристаллические счетчики,
камера Вильсона.
В других детекторах важную роль играют процессы возбуждения и диссоциации молекул. Эти явления в сочетании с ионизацией являются причиной возникновения люминисценции в сцинтилляционных счетчиках.
Необходимо отметить еще один первичный процесс при взаимодействии излучения с веществом: испускание черенковского излучения в счетчиках (радиаторах) Черенкова.
Из литературы по элементарным частицам известно, что интенсивность заряженной компоненты (в основном, -мезоны) космического излучения на поверхности Земли составляет ~200 частиц/м2сек.
В нашем распоряжении имеются сцинтилляционные детекторы, способные регистрировать потоки заряженных частиц на площади ~1 дм2 и, используя их для измерения интенсивности потока заряженной компоненты космического излучения, мы должны получить величину ~2 частиц/дм2сек. Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, познакомимся с принципом работы сцинтилляционного счетчика и необходимой (для проведения данной работы) измерительной аппаратурой.
Сцинтилляционные счетчики.
Современный сцинтилляционный счетчик состоит из следующих основных частей:
1. Пластический сцинтиллятор, изготовленный из полистирола со специальными спектросмещающими добавками.
2. Световод
3. Фотоумножитель.
4
.
Вспомогательная электроника (высоковольтный
делитель).
5. Корпус.
6. Вывод сигнала.
7. Разъем питания.
При прохождении ионизирующей частицы через сцинтиллятор в нем возникает люминесцентное излучение (вспышка света). При помощи световода и отражателя (алюминированный лавсан) часть света на фотокатод фотоумножителя. Фотоэлектроны, выбитые -квантами света из фотокатода, попадают на ряд последовательно расположенных электродов (динодов) с вторичной электронной эмиссией, на которых они испытывают многократное умножение, так что на анод их приходит примерно в 108 раз больше. Выходные импульсы фотоумножителя поступают на соответствующую электронику.
Общие свойства сцинтилляторов можно охарактеризовать такими цифрами. Частица с минимальной ионизацией (в нашем случае -мезон), пройдя через пластический сцинтиллятор толщиной 1 см, теряет энергию 1,5 МэВ; при этом образуется около 104 фотонов (-квантов) света и энергией 3 эВ (т.е. всего около 2% энергетических потерь выделяется в форме люминесценции). Если эффективность сбора света на фотодиод фотоумножителя составляет 10% и квантовый выход фотокатода фотоумножителя (число фотоэлектронов на один падающий фотон) равен также 10%, то получим 100 фотоэлектронов.