11

Фізпрактикум із загального курсу

“ФІЗИКА ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК”

Лабораторна робота № 8 вимірювання енергії гамма-квантів за допомогою сцинтиляційного спектрометра правила роботи з радіоактивними джерелами та високовольтним обладнанням:

Радіоактивні джерела для роботи видаються студентам тільки на час проведення дослідів під розписку, про що робиться відмітка у спеціальному журналі. Студенти несуть особисту відповідальність за збереження і правильне використання радіоактивного джерела. У роботі використовуються взірцеві гамма–джерела з набору типу ОСГИ. На поверхні захисту джерела контрольний рівень випромінювання не перевищує 3 мкЗв/год. Джерела не можна брати руками за центральну частину – „активну пляму”. Не можна торкатися „активної плями” гострими предметами. На сцинтиляційний спектрометр подається робоча напруга 800-1500 В.

Можливі аварійні ситуації: розгерметизація джерела, виникнення пожежі, пошкодження заземлення, пошкодження ізоляції проводів.

Категорично заборонено: від’єднувати кабель живлення детектора від увімкненого високовольтного блоку.

1. Мета і завдання до роботи

Засвоїти практичні навички роботи з сцинтиляційним спектрометром гамма – квантів. Виконати калібрування шкали спектрометра за відомими енергіями зразкових гамма – джерел, та визначити енергетичну роздільну здатність спектрометра. Визначити енергію гамма - квантів контрольного джерела.

2. Необхідні прилади і обладнання

Сцинтиляційний спектрометр гамма – квантів, у склад якого входять: сцинтилятор NaJ(Тl), фотоелектронний помножувач (ФЕП), попередній (виносний) підсилювач (в блоці детектора); прилад БР-І або багатоканальний амплітудний аналізатор АИ-1024 (АИ-40-96, АИ-256) .

3. Спектрометрія гамма-квантів сцинтиляційним методом

3.1 Принцип дії сцинтиляційного спектрометра та його калібрування

Однокристальний сцинтиляційний спектрометр гамма-квантів складається з сцинтилятора і фотоелектронного помножувача, розміщених у світлонепроникненому кожусі; лінійного підсилювача електричних імпульсів та амплітудного аналізатора (рис.1).

Сцинтилятором називається речовина (кристал, рідина, пластик), в якій за рахунок енергії іонізуючої частини виникають спалахи світла (сцинтиляції).

Швидкі заряджені частинки (електрони, альфа-частинки і т.д.) іонізують і збуджують атоми (молекули) сцинтилятора. В кристалічному сцинтиляторі при цьому утворюються електронно-діркові пари. Процес рекомбінації таких пар супроводжується випромінюванням світла. Важливою вимогою до сцинтилятора є його прозорість до власного випромінювання. З метою досягнення прозорості в сцинтилятори вводять домішки, які зміщують спектр сцинтиляцїі за межі зони поглинання світла матеріалом сцинтилятора. При записуванні хімічної формули сцинтилятора хімічний символ домішки вказується у дужках: запис NaJ(Тl) можна прочитати як натрій йодистий, оптично активований талієм.

Іншими важливими характеристиками сцинтиляторів є:

час висвічування, конверсійна ефективність і ефективність реєстрації (табл.1).

Конверсійною ефективністю називається відношення енергії світлового спалаху до енергії, втраченої у сцинтиляторі частинкою, яка реєструється.

Ефективність реєстрації – це відношення числа зареєстрованих частинок (квантів) до числа частинок, що потрапили в сцинтилятор протягом часу реєстрації. Для того, щоб гамма-квант був зареєстрований сцинтиляційним лічильником, він повинен створити достатньо швидкий електрон у робочому об’ємі сцинтилятора. Це може статися в одному з трьох процесів взаємодії фотонів з атомами: фотоефекті, ефекті Комптона та процесі утворення електронно-позитронних пар.

Фотоефект – явище поглинання гамма – кванта атомом з випромінюванням фотоелектрона, який одержує практично всю енергію гамма - кванта,

Ефект Комптона – розсіювання гамма-кванта на електроні. При цьому електрон одержує лише частину енергії фотона, величина якої залежить від кута розсіювання.

Процес утворення електронно - позитронних пар – явище утворення електрона і позитрона за рахунок енергії гамма - кванта в полі ядра.

Ефективність реєстрації гамма-квантів η сцинтиляційним лічильником оцінюється за формулою:

, (1)

де μ – коефіцієнт поглинання гамма-квантів речовиною сцинтилятора, – товщина сцинтилятора.

Світло, яке виникає в сцинтиляторі, через світлопровід або безпосередньо через торець балона ФЕП потрапляє на фотокатод помножувача. Під його дією з фотокатода виривається деяке число електронів, пропорційне інтенсивності спалаху. Електрони прискорюються електричним полем ФЕП і, співударяючись з дінодами, утворюють за рахунок явища вторинної електронної емісії електронну лавину, яка проявляється на аноді ФЕП у вигляді від’ємного електричного імпульсу.

Рис.1. Функціональна схема сцинтиляційного спектрометра:

NaJ(Тl) – неорганічний сцинтилятор, ФЕП – фотоелектронний помножувач, ПП –попередній підсилювач, БР-І – блок реєстрації імпульсів, який включає: підсилювач.(П), диференціальний дискримінатор (ДД), перерахунковий пристрій (РП) та інтенсиметр (ІНТСН). БВН, БНН – блоки високої (до 1800 В) та низької (-12B) напруги, A1-1024 – багатоканальний аналізатор імпульсів, ПК – персональний компютер для запису та опрацювання виміряних гамма-спектрів.

Спектрометрія гамма-квантів здійснюється шляхом вимірювання спектру амплітуд імпульсів з ФЕП, які при пропорційному режимі роботи ФЕП і підсилювача П пропорційні енергії гамма-квантів, втраченій у матеріалі сцинтилятору.

Таблиця 1.

Характеристики неорганічних сцинтиляторів

Сцинтилятор	Конверсійна ефективність		Час висвічування, 10-6с	Середній атомний номер	Максимум спектру сцинтиляції,10-10M
NaJ(Tl) CsJ(Tl) ZnS(Ag)	10 3 10	0.25 0.7 0.1		32 54 27	4100 5600 4500