МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ф и зи че с к и й ф а культ е т

Кафедра общей физики

Рабусов Андрей Викторович

ОТ Ч Ё Т

олабораторной работе

«Исследование распределения средних от выборок, полученных при измерении интенсивности α-источника»

Измерительный практикум, 1 курс, группа 0351

Преподаватель измерительного практикума

______________ А.В.Черданцев «___»_________ 2010 г. Преподаватель компьютерного практикума

______________ Н.А.Витюгова «___»_________ 2010 г.

Новосибирск, 2010 г.

Аннотация. В лабораторной работе исследовался источник α-частиц. Цель исследования — измерение интенсивности α-источника. Для этого мы подсчитывали количество вспышек на сцинтилляторе за определённые интервалы времен, а затем обрабатывали результаты, предполагая, что распределение α-частиц можно описать с помощью функций распределения Гаусса и Пуассона. В результате работы было получено, что активность α-источника составляла 5580 с-1. Возможные ошибки заключались в том, что не все α-частицы достигали сцинтиллятора, существовал темновой ток, ошибки тактового генератора ЭВМ.

Введение

В данной лабораторной работе исследуется интенсивность изотопного источника α-частиц (измеряется количество α-частиц n испускаемых источником за фиксированный промежуток времени τ). Величина n является случайной, так как испускание α-частиц происходит в результате спонтанного распада ядер (239Pu). Радиоактивный распад по своей природе является вероятностным, случайным процессом. Образовавшаяся в результате «вероятностного» слияния нуклонов в ядре α-частица совершает «вероятностный» туннельный переход под потенциальным барьером ядерных сил и вылетает из ядра. Распад каждого ядра не зависит от присутствия других ядер. В результате количество α-частиц, испускаемых радиоактивным источником за 1 секунду, есть величина случайная. Исчерпывающей характеристикой случайной величины является функция, описывающая вероятность появления того или иного ее значения. Так как цель эксперимента со случайной величиной состоит в определении вида вероятностной функции и в расчете численных значений параметров этой функции, а интенсивность изотопного α-частиц — величина случайная, то цель работы — определить вид функции распределения и рассчитать её параметры. В лабораторной работе будет измерено количество α- частиц, испускаемых источником за фиксированный промежуток времени с помощью регистрации α-частиц на сцинтилляторе.

1 Описание эксперимента

1.Поиск рабочего участка ФЭУ

2.Подсчёт количества распадов в единицу времени в серии из n измерений

3.Поиск подходящей функции распределения для каждой серии измерений.

1.1Методика измерений

Для измерения количества α-частиц использовался сцинтилляционный детектор, затем данные обрабатывались на ЭВМ. Фактически измерялось количество α-частиц, который прореагировали с сцинтиллятором. Поиск рабочих характеристик детектора состоял в измерении количества зафиксированных импульсов тока в зависимости от входного напряжения детектора. Был найден участок, на котором количество зафиксированных электронов практически неизменно. Это как раз и есть рабочий диапазон напряжений детектора. В работе использовалось напряжение 1500В. После нахождения рабочего напряжения были проведены различные серии измерений количества фотоэлектронов. Источником систематической погрешности является темновой ток — появление импульсов в результате влияния различных причин на случайное появление электронов в пространстве ФЭУ. Для оценки величины темнового тока была снята счётная характеристика без источника α-частиц. Вторым источником систематической ошибки является изменение напряжения на входе ФЭУ во время выполнения работы. Третий источник систематической погрешности является то, что на сцинтиллятор попадают не все α-частицы. Их количество можно оценить по формуле

где Nрег — количество зарегистрированных импульсов, Nвсе — количество вылетевших частиц, Ω — телесный угол, под которым виден сцинтиллятор. Четвёртая возможная систематическая ошибка — наличие в образце радиоактивных примесей.

1.2Описание установки

Вработе использовался изотопный источник, в котором α-частицы образуются в результате радиоактивного распада изотопа плутония 239Рu с периодом полураспада 24360 лет и энергией α-частиц, равной 5–5,1 МэВ.

Рис. 1. Источник α-частиц

Источник α-частиц представляет собой алюминиевую подложку, в углублении которой нанесен слой радиоактивного вещества. Активный слой покрыт защитной металлической пленкой (обычно слой алюминия толщиной не более 10 мкм). Средний пробег α-частиц с энергией 5 МэВ в воздухе составляет примерно 3,5 см

2

(в алюминии и стекле — примерно 0,05 мм). Активность используемого в данной работе источника — 5400 распадов в в секунду. В качестве первичного преобразователя в установке применен сцинтилляционный детектор.

Рис. 2. ФЭУ

Он состоит из сцинтиллятора (цилиндрический блок из специальной пластмассы), фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и источника питания ФЭУ. Попадая в сцинтиллятор, α-частица вызывает вспышку света, которая регистрируется ФЭУ и преобразуется в электрический импульс. С фотоумножителя электрический импульс поступает на пересчётное устройство, сопряженное с компьютером. На входе пересчётного устройства имеется амплитудный дискриминатор-нормализатор. Его назначение состоит в том, чтобы «отсечь» сигналы с амплитудой меньше определенного значения, т. е. Дискриминатор отфильтровывает «шум» ФЭУ. Сигналы с амплитудой выше порога дискриминации преобразуются в стандартные импульсы заданной амплитуды и длительности и поступают на вход счетчика. Пересчётное устройство фиксирует не количество α-частиц, которые попали в сцинтиллятор, а количество электрических импульсов. Для того чтобы эти величины совпадали, требуется предварительная настройка ФЭУ (подбор напряжения питания, для используемого в данной работе прибора оно находится в диапазоне 1,5–2 кВ). При меньшем напряжении эффективность ФЭУ понижается, а при большем – возникают «ложные» срабатывания.

Рис. 3. Общий вид установки

3

1.3Результаты измерений

На графике (рис. 4) представлена зависимость количества зарегистрированных импульсов от напряжения на ФЭУ (источник α-частиц находится в сцинтилляторе). Видно, что в диапазоне 1350-1500В количество импульсов не меняется. Это так называемое «плато» графика. Именно в этом диапазоне находится значение оптимального напряжения на ФЭУ.

1100115012001250130013501400145015001550

Рис. 4. Поиск оптимального напряжения ФЭУ.

На следующем графике (рис. 5) представлена зависимость количества зарегистрированных импульсов от напряжения на ФЭУ при отсутствии в сцинтилляторе источника α-частиц. Из графика видно, что при напряжении в 1500В темновой ток незначителен, так как величина темнового тока на три порядка ниже, чем количество импульсов.

Рис. 5. Темновой ток

В таблице 1 представлены результаты четырёх серий измерений (каждая серия проводилась с различным количеством измерений и временем одного измерения.

Таб. 1. Результаты измерений

N – количество измерений в серии, T – время одного измерения, X – результат измерений, Sx – среднеквадратичное отклонение серии измерений.

Для оценки функций распределений

4