Вивчення поглинання іонізуючого випромінювання речовини за допомогою лічильника Гейгера–Мюллера

Мета роботи: вивчення будови і принципу дії, дослідження роботи і одержання лічильної характеристики лічильника Гейгера-Мюллера, використання лічильника для визначення коефіцієнта поглинання - і -випромінювання.

Прилади і обладнання: демонстраційний лічильник Гейгера-Мюллера, джерело іонізуючого випромінювання, лічильний пристрій ПП-16, регулятор напруги РНШ, секундомір, набір металевих пластинок (свинець і сталь), штангенциркуль.

Теоретичні відомості

В сучасній атомній і ядерній фізиці та фізиці елементарних частинок для реєстрації мікрочастинок (випромінювання) викорис­товується багато приладів. Системи для реєстрації іонізуючих випромінювань складаються з двох основних частин: детектора і вимірювальної апаратури. В детекторі відбувається взаємодія випромінювання з речовиною і утворюється сигнал, який подається у вимірювальну апаратуру. Тут сигнал сприймається з виходу детектора і відбуваються вимірювання, які дозволяють визначити будь-які характеристики частинок, їх заряд, масу, час життя і т. д. В більшості детекторів сигнал утворюється за рахунок іонізації, яка виникає при проходженні зардженої частинки (кванта) через середовище детектора. До класу іонізаційних газонаповнених детек­торів відноситься і лічильник Гейгера-Мюллера. Не дивлячись на те, що ці детектори мають ряд недоліків, вони найбільш широко застосовуються завдяки високій чутливості до різного роду випромі­нювання. Крім того, вони мають досить просту будову і високу надійність в роботі.

Перш ніж вивчати будову і принцип дії лічильника, розглянемо особливості вольт-амперної характеристики всіх газонаповнених детекторів. Вони являють собою посудину з інертним газом (наприк­

лад, аргоном) і двома електродами, на які подається постійна напруга. Струм, який тече в приладі, має досить складну залежність від напруги. Якщо на осі абсцис відкласти напругу U, а на осі ординат − струм i, який утворю­ється при проходженні випромі­ювання через детектор, то крива вольт-амперної характеристики буде такою, як показано на рис. 1.

Область 1 (низькі значення напруг). При таких напругах у лічильнику відбуваються два протилежні конкуруючі процеси: утворення заряджених іонів газу, одержаних під час прольоту через прилад частинок (випромінювання) і рекомбінація цих іонів в атоми. Під час зростання U, внаслідок зменшення рекомбінації і зростання швидкості іонів струм збільшується.

Область 2. Кількість рекомбінованих іонів стає дуже малою. Усі іони, утворені під час пролітання заряджених частинок, досягають електродів, тому струм при зростанні напруги не змінюється. Це явище називається насиченням. При таких напругах працює іонізаційна камера.

Область 3 (великі значення напруги). Тут під дією високої напруги відбувається вторинна іонізація − так зване газове підсилення. Явище вторинної іонизації полягає в тому, що електрон розігнаний до великої швидкості електростатичним полем стикається з атомом та іонізує його. Струм підсилюється пропорційно числу пар іонів, які утворилися від взаємодії пролітаючої частинки з газом детектора. В цій області працює пропорційний лічильник.

Область 4 (дуже великі значення напруг), або область Гейгера. Тут завдяки дуже високому газовому підсиленню розвиток розряду в детекторі не залежить від енергії пролітаючої частинки. В цій області буде реєструватися будь-яка частинка, яка створила хоча б одну пару іонів в об’ємі камери детектора. Це область роботи лічильника Гейгера-Мюллера.

Область 5 − область самостійного розряду в газі.

Детектор, який використовується в даній роботі, − лічильник Гейгера-Мюллера (рис. 2) − складається з тонкостінного металевого

к атоду К циліндричної форми. Вздовж осі циліндра розташована тонка металева нитка − анод А.

Лічильник заповнюється інерт­ним газом (наприклад, аргоном). Подана на електроди напруга утворює в лічильнику стан дуже близький до самостійного розряду. Частинка, яка утворює в лічильнику принаймі пару іонів, буде зареестрована. Тому, що в лічильнику відбувається лавиноподібний процес утворення іонів. Позитивні іони прямують до стінок циліндра, а електрони − до нитки. Щоб підготу­вати лічильник до реєстрації наступної пролітаючої частинки, цей розряд необхідно погасити. За цією ознакою лічильники поділяються на:

• несамогасні − розряд припиняється за допомогою резистора R, який має великий опір (порядка 10¹⁰ Ом); при розряді у лічильнику струм, який проходить через резистор, утворює на ньому падіння напруги, тобто між анодом А і катодом К різниця потенціалів падає, іонізація припиняється;

• самогасні − самостійний розряд припиняється внаслідок дода­вання до інертного газу лічильника багатоатомних газів (наприклад, пари спирту і т.п.); внутрішнє гасіння відбу­вається тому, що багатоатомні молекули забирають при взаємодії з іонами лавинного розряду енергію для свого прискорення або розпаду на окремі атоми; але внаслідок цього час поновлення готовності лічильника до роботи збільшується, що дозволяє реєструвати інтенсивність випромінювання не вище 10⁴ імпульсів на секунду.

Основні характеристики лічильника такі:

Роздільна здатність − найбільше число частинок, яке здатний зареєструвати лічильник за одиницю часу. Для різних лічильників вона знаходиться в межах від 10³ до 10¹⁰ частинок/с.

М ертвий час − час, необхідний для відновлення робочого стану лічильника після здійснення ним реєстрації час­тинки. Чим менший мертвий час, тим більша роздільна здатність лічильника.

Лічильна характеристика − залеж­ність кількості реєстрацій N від прикла­деної напруги U.

При низьких напругах (ділянка 0А) не всі частинки які проходять через лічильник, викликають розряд. При великій напрузі (ділянка ВС) у лічильнику іноді виникає електричний розряд без іонізуючої частинки, тому на участку ВС зростає кількість хибних спрацювань лічильника. Це пов’язано з близкістю енегрії електрона до самостійного розряду.

Як правило, лічильник працює в режимі, який лежить на середині “плато” АВ, де число реєстрованих частинок в одиницю часу не залежить від напруги. Цей режим називається робочим. Лічильники Гейгера-Мюллера застосовуються для реєстрації випромінювання, рентгенівських квантів і космічних частинок. Однак, для слабких випромінювань (наприклад, для -частинок) застосовуються торцеві лічильники, які мають в торці слюдяні, берилові та інші віконця для входу частинок з малою енергією в камеру детектора. Використані в даній роботі самогасні лічильники СТС-6, СБМ-20 реєструють -частинки, рентгенівські і -кванти та деякі інші випромінювання. Тонкий алюмінієвий корпус цих лічильників поглинає -частинки.

Описаний вище лічильник використовується в цій роботі для вивчення поглинання іонізуючого випромінювання (див. лабора­торну роботу №3) металами (свинець, сталь). Як джерело - і -випромінювання використовується ізотоп кобальту . Основною характеристикою дослідженого явища є коефіцієнт поглинання речовиною іонізуючого випромінювання

.

За фізичним змістом це величина, яка визначає, у скільки разів зменшується число іонізуючих частинок після проходження шару речовини одиничної товщини.