Определение «мертвого» времени радиометра

Лабораторная работа № 65

Цель работы:

1. Ознакомиться с явлением радиоактивности и методами регистрации радиоактивных излучений.

2. Определить «мертвое время» радиометра.

Теоретическое введение

Все атомы состоят из положительно заряженного ядра, размеры которого составляют 10^-15 – 10^-14 м и вращающихся вокруг него электронов. Радиусы электронных орбит, т.е. размер атома - порядка 10^-10 м. Ядро состоит из положительно заряженных частиц - протонов и электрически нейтральных частиц - нейтронов. Порядковый номер элемента в таблице Менделеева соответствует числу протонов в ядре. Элементы с одинаковым количеством протонов в ядре, но разными количествами нейтронов называют изотопами (например, изотопы кислорода ₈O¹⁶, ₈O¹⁷, ₈O¹⁸ содержат 8, 9, и 10 нейтронов соответственно). Изотопы данного элемента могут быть стабильными и радиоактивными.

Различают радиоактивность естественную и искусственную. Естественная радиоактивность встречается у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Существуют следующие типы радиоактивного распада: альфа-распад и бета-распад. Различают три вида β-распада: ^--распад (электронный распад), β⁺-распад (позитронный распад) и e-захват (электронный захват).

Радиоактивный распад - явление статистическое. Невозможно предсказать, когда распадется данное нестабильное ядро. Для большого количества ядер можно получить статистический закон, выражающий зависимость числа нераспавшихся ядер от времени:

N = N₀∙exp(-l t), (1)

где l - постоянная распада,

N₀- число радиоактивных ядер в момент времени t = 0.

Это и есть основной закон радиоактивного распада.

Существует много различных методов регистрации радиоактивного излучения. На одном из них - ионизирующем действии частиц, обладающих достаточно большой энергией, - основана работа газоразрядных устройств (импульсные ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера).

Число пар ионов, образующихся в газе в единицу времени, может служить мерой интенсивности потока частиц, вызвавших ионизацию. Число пар ионов может быть измерено, если образующиеся ионы направить электрическим полем к электродам и измерить возникший при этом ток. Кривые зависимости амплитуды импульсов ионизационного тока в газе от разности потенциалов между электродами изображены на рисунке 1.

При определенных условиях ионизационный ток пропорционален числу пар ионов, возникающих в 1 секунду, т.е. интенсивности потока частиц, вызвавших ионизацию. Такая пропорциональность наблюдается лишь в режиме тока насыщения (область II), когда все образовавшиеся ионы достигают электродов, а не исчезают вследствие рекомбинации или диффузии к стенкам, как в области I. Устройства, работающие на этом принципе в режиме тока насыщения, называются ионизационными камерами. Ионизационные камеры работают в области напряжений U₁ - U₂ кривой т.е. в области несамостоятельного газового разряда. Ионизационные камеры имеют высокую эффективность и позволяют оценивать энергию частицы (выходной сигнал пропорционален энергии, затраченной частицей на ионизацию). Однако амплитуда электрического сигнала мала, что приводит к необходимости усиления сигнала и делает аппаратуру чувствительной к помехам и шумам.

Недостатки ионизационной камеры в значительной степени устранены в счетчиках, работающих на участке U₂ - U₅ кривой ионизационного тока, где электроны, образованные заряженной частицей, двигаясь к аноду, приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. Они являются наиболее распространенными измерительными приборами, применяемыми в ядерной физике.

Различают две возможные области кривой, где используются счетчики. На участке U₂ - U₃ (где газовый разряд еще несамостоятельный) число пар ионов, возникающих в газе в результате столкновений, а также разрядный импульс напряжения пропорциональны числу пар ионов, первично образовавшихся от ионизирующей частицы, т.е. энергии влетевшей в счетчик частицы. В этой области работают пропорциональные счетчики, позволяющие измерять и энергию частиц (поскольку сигнал, так же как и в ионизационной камере, пропорционален энергии, затраченной на ионизацию).

Область U₃ - U₄ называется областью ограниченной пропорциональности, и в счетчиках практически не используется.

Наибольшее значение для счетчиков имеет область U₄ - U₅, в которой все импульсы, какими бы частицами они ни были вызваны, становятся одинаковыми по величине и продолжают расти с ростом напряжения. Это так называемая область равных импульсов, или область Гейгера. Область Гейгера характеризуется самостоятельным разрядом, вызванным ударной ионизацией и фотоионизацией за счет ультрафиолетового свечения разряда. Счётчики, работающие в этой области, называются счётчиками Гейгера-Мюллера.

В счетчиках Гейгера-Мюллера ионизационный ток не зависит от энергии ионизирующих частиц и соответственно от числа первичных ионов (отсюда и название - область равных импульсов).

Счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой газоразрядный промежуток с сильно неоднородным электрическим полем. Чаще всего применяются счетчики с коаксиально расположенными электродами: внешний цилиндр - катод, и тонкая нить, натянутая по его оси - анод. Счетчик наполнен каким-либо газом (воздух, водород, гелий, аргон и др.) под давлением 100 - 200 мм. рт. ст. Цилиндрический счетчик для обнаружения b-частиц высокой энергии, частиц космического излучения и g-квантов имеет алюминиевые стенки толщиной 0,10 - 0,15 мм, играющие роль катода. На анод подается положительный потенциал в несколько сотен вольт. Схема регистрирующего устройства со счетчиком Гейгера-Мюллера приведена на рисунке 2. Бета-частицы с энергией, меньше 50 - 100 кэВ, практически полностью поглощаются в стенках счетчика; при энергии 250 - 300 кэВ эффективность счетчика составляет 10 % и приближается к 100 % при регистрации жесткого b-излучения (свыше 1,5 МэВ).

Попадающая внутрь цилиндра ионизирующая частица создает в счетчике ионы и свободные электроны, которые движутся к нити. В то же время возбужденные атомы и молекулы газа, возвращаясь в исходное состояние, испускают фотоны. Некоторые из них, попадая на катод счетчика, вырывают с его поверхности фотоэлектроны, увеличивая долю свободных электронов. Вблизи анода напряженность электрического поля велика, и электроны ускоряются настолько, что начинают в свою очередь ионизировать газ.

По мере приближения к нити число электронов лавинообразно нарастает. Возникает коронный разряд, распространяющийся вдоль нити. Важной характеристикой счетчика Гейгера-Мюллера является так называемая счетная характеристика, показывающая зависимость (при неизменных условиях облучения) скорости счета от величины напряжения на аноде (рисунок 3).

Рабочий участок характеристики (плато) имеет протяженность от нескольких десятков до нескольких сотен вольт. На плато число отсчетов практически равно числу ионизирующих частиц, попадающих в счетчик. Чтобы счетчик Гейгера-Мюллера мог прореагировать на последующую частицу, возникший в нем самостоятельный разряд необходимо погасить. Это достигается двумя путями - включением балластного резистора последовательно со счетчиком (несамогасящиеся счетчики) и введением в газ гасящих добавок (самогасящиеся счетчики).

В несамогасящемся счетчике разрядный ток, протекая через большое сопротивление балластного резистора (R = 10⁸ - 10⁹ Ом), создает на нем падение напряжения. Напряжение на счетчике Гейгера-Мюллера уменьшается, что приводит к гашению газового разряда. В самогасящихся счетчиках к инертному газу добавляют небольшое количество (~10 %) паров органических жидкостей или газов с многоатомными молекулами. Важно, чтобы потенциал многоатомной гасящей добавки был ниже минимального потенциала возбуждения основного газа. Быстро возрастающий вблизи нити объемный заряд положительных ионов понижает напряженность электрического поля в активной зоне разряда, и разряд гаснет.

Временное разрешение τ для регистрируемых с помощью счетчика Гейгера-Мюллера событий обычно лежит в пределах 10^-4 - 10^-3 с. Оно зависит как от внутренних характеристик счетчика, так и от внешних цепей. Время разрешения складывается из времени нечувствительности, когда в счетчике горит газовый разряд, времени формирования импульса, запуска механического счетчика и возращения аппаратуры в исходное состояние. В это время радиометр не может регистрировать другую частицу, поэтому оно называется «мертвым временем» радиометра.