Приборы и оборудование

Установка состоит из объекта исследования ОИ (электропечи с установленными в ней исследуемыми образцами и датчиком температуры) и устройства измерительного УИ Общий вид установки показан на рис. 3.

Рис. 3.

На передней панели объекта исследования находится окно (5), позволяющее наблюдать образцы, установленные в электропечи. На этой же панели размещены следующие органы управления и индикации:

выключатель СЕТЬ (1) - предназначен для включения и выключения питания объекта исследования;

переключатель ОБРАЗЕЦ (2) - предназначен для поочередного подключения образцов к измерительному входу устройства измерительного;

Положениям переключателя ОБРАЗЕЦ соответствует подключение следующих образцов:

"1" - металл;

"2" - сплав с низким температурным коэффициентом сопротивления;

Примечание. Данный образец введен в установку для демонстрации свойств сплавов с малым температурным коэффициентом сопротивления.

"3" - полупроводник;

"0" - измерительный вход устройства измерительного закорочен.

Индикаторы СЕТЬ (3) и ВЕНТ (4) - предназначены для индикации включения питания объекта исследования и включения вентилятора (управляются выключателем СЕТЬ и устройством измерительным соответственно).

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:

кнопки НАГРЕВ (6) и ВЕНТ (7) - предназначены для включения и выключения (путем повторного нажатия) электропечи и вентилятора объекта исследования соответственно;

кнопка СТОП ИНД (8) - предназначена для включения и выключения (путем повторного нажатия) режима остановки индикации значений температуры и сопротивления при снятии показаний с индикаторов (При включении этого режима, показания на измерительных индикаторах фиксируется в том состоянии, в котором они находились при нажатии кнопки СТОП ИНД, при этом режим работы установки не изменяется. При повторном нажатии происходит выключение данного режима и на индикаторах снова отображаются текущие значения измеряемых величин.);

индикатор (9) – предназначен для индикации измеряемых величин (в верхней части – t - температуры в град. Цельс., в нижней R - сопротивления в Ом), а также режимов работы – WARM (нагрев), COOL (охлаждение) и FIXED (стоп индикация) (отображается в правом верхнем углу и управляются одноименными кнопками).

На задней панели устройства измерительного расположен выключатель СЕТЬ.

Лабораторная работа №4 изучение бета-активности

Цель работы: определение длины пробега частиц и максимальной энергии излучения радиоактивного источника.

Содержание работы

Бета-распадом (распадом) называется самопроизвольное превращение ядер, при котором их массовое число не меняется, а заряд увеличивается или уменьшается на единицу. Этот заряд уносится электроном или позитроном, покидающим ядро:

1). При электронном распаде один из нейтронов n ядра превращается в протон p, и образуются электрон и антинейтрино (1):

(1)

2). При позитронном распаде происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон с испусканием нейтрино (2):

p  n + ⁺¹ + , (2)

3). При захвате атомного электрона (например, к-захвате) один из протонов ядра превращается в нейтрон с излучением нейтрино (3):

p + e  n + , (3)

Рис. 1

Характерной особенностью распада является то, что испускаемые электроны (или позитроны) имеют всевозможные значения кинетической энергии от нуля до некоторой вполне определенной энергии Е_макс (граничной энергии спектра), значительно различающейся для разных радиоактивных веществ. Например, радиоактивный изотоп Н испускает -частицы с Е_макс = 18 кэВ, а N - c Е_макс = 16.6 МэВ.

Таким образом, энергетический спектр электронов, испускаемых при -распаде, непрерывен. Типичная кривая распределения -частиц по энергиям изображена на рис.1.

Здесь dN/dЕ - число частиц, имеющих полную энергию от Е до Е+dЕ, Е_макс - максимальная энергия частиц данного радиоактивного вещества. Максимальная энергия частиц определяет энергию распада и является важной физической величиной.

Непрерывность рассматриваемого спектра была объяснена в 1931г. Паули, который предположил при распаде наряду с электроном испускание другой частицы – нейтрино. Обе частицы рождаются в самом акте распада, причем возможная энергия Е_макс делится между электроном и нейтрино. Распределение максимальной энергии неодинаково, и для различных изотопов средняя энергия частиц составляет от 0.25 до 0.46 Е_макс.

частицы, проходя через вещество, теряют энергию и отклоняются от своего первоначального направления, то есть рассеиваются (рис. 2.):

Рис. 2

Рассматривая пучок электронов, падающий нормально на поверхность фильтра, можно отметить, что электроны с большей энергией пройдут фильтр, испытывая лишь малые отклонения. Более медленные электроны подвергаются большему рассеянию, их угловое распределение приближается к гауссовскому, а траектория движения искривляется. При сильном рассеянии теряет смысл понятие направления движения электронов, рассматривается процесс диффузии электронов.

Число электронов, прошедших через фольгу, есть монотонно убывающая функция толщины фильтра, так как с увеличением толщины фильтра имеет место процесс обратной диффузии, когда электроны отклоняются на углы, большие 90 градусов. Кроме того, при увеличении толщины фильтра энергия электронов уменьшается, а часть их тормозится фактически до нулевой энергии, то есть останавливается. Предельная толщина фильтра, практически полностью задерживающая падающие электроны, называется эффективным пробегом электрона. Этот пробег определяется по кривым поглощения. Типичная кривая поглощения для непрерывного спектра представлена на рис 3:

Рис.3

где R_MAX -толщина поглотителя, равная пробегу частиц в данном веществе. Она описывается экспоненциальной зависимостью (4):

(4)

где N₀ - число частиц, падающих за 1 с на поверхность фильтра, µ - массовый коэффициент поглощения. Величина d связана с линейной толщиной l соотношением (5):

(5)

где  - плотность вещества фильтра, _Al = 2.7 г/см³. Для определения пробега удобно построить данную кривую в полулогарифмическом масштабе (рис.4):

Рис.4

В этом случае можно выделить прямолинейную часть кривой поглощения и использовать метод половинного поглощения.

Метод половинного поглощения состоит в следующем. По графику зависимости ln(NN_Ф) = f(d) определить среднюю толщину слоя половинного поглощения d_1/2, необходимого для уменьшения вдвое начальной интенсивности -излучения, то есть

, (6)

на полулогарифмической зависимости получаем:

(7)

Вычисленное для нескольких точек и усредненное значение d_1/2 позволяет определить длину пробега электронов R_m по формуле (8):

d_1/2 = 0.1 R_m, (8)

Для определения максимальной энергии излучения радиоактивного изотопа следует использовать эмпирические зависимости между Е_макс и R_m (9, 9 a):

R_m = 0.542Е0.133 г/см², 0.8  Е  3.0 МэВ, (9)

R_m = 0.407Е^1.38 г/см², 0.15  Е  0.8 МэВ, (9а)

(для источника Sr (A = 90) + Y (A = 90) использовать формулу (9)).