Порядок выполнения работы.

Оборудование

1 XR 4.0 Базовая рентгеновская установка 35кВ 09057-99

1 Вставной блок с вольфрамовой рентгеновской трубкой 09057-80

1 Цилиндрический счетчик типа B 09005-00

1 Рентгеновская диафрагмированная трубка, d = 1 мм 09057-01

1 XR 4.0 держатель счетчика 09057-07

1 Подвижное крепление для оптической скамьи, h = 30 мм 08286-01

Дополнительное оборудование

1 программное обеспечение рентгеновского измерения XRM 4,0 14414-61

1 Кабель для передачи данных USB, разъем типа A/B 14608-00

ПК, Windows® XP или выше

Рис. 3: Базовая рентгеновская установка 09057-99

Установка

Расположите счетчик непосредственно напротив первичного пучка либо с помощью держателя счетчика или гониометра (Рис. 3). Вставьте мембранную трубку с диаметром 1 мм в выходное отверстие пучка съемного блока для коллимации рентгеновского излучения. При этом вы защищаетесь от большой части излучения. Кроме того, счетчик также может перемещаться из зоны первичного пучка. Подключите счетчик с помощью кабеля BNC в гнездо GM tube.

Примечание

Никогда не подвергать основному рентгеновскому излучению счетчик Гейгера-Мюллера в течение длительного периода времени.

Принцип измерения

Счетчик регистрирует действие ионизирующего излучения высокой энергии: Когда рентгеновские лучи входят внутрь счетчика, они ионизируют частицы газа, создавая первичные положительно заряженные ионы и свободные электроны. Электроны ускоряются в направлении положительно заряженного анода, что позволяет получить энергию, достаточную для ионизации других частиц газа. Из-за этого, так называемого газового усиления, лавина электронов достигает анода. Это, в свою очередь, приводит к возникновению тока через 10 МОм-резистор от катода к аноду счетчика и, тем самым, к снижению напряжения анода. Этот ток преобразуется в сигнал напряжения с помощью резистора. В случае малогабаритных счетчиков Гейгера-Мюллера, этот сигнал усиливается усилителем, и затем выводится в визуальной или в звуковой форме.

Внутри счетчика находится смесь газа, которая в основном состоит из инертного газа. Поскольку ионизированные частицы в газе могут выбивать вторичные электроны из корпуса счетчика, что будет искажать результат измерения, они должны быть перехвачены галогенной примесью газа. Молекулы примеси разрушаются в реакции с ионизированными частицами газа. Именно поэтому срок службы счетчика ограничен.

Схема включения счетчика

На рис. 4 показана принципиальная схема.

Счетчик состоит из тонкостенной металлической трубки, которая заполнена газовой смесью при пониженном давлении. Через его ось проходит тонкий изолированный металлический провод. Металлический корпус - катод и провод - анод, тем самым, образуют цилиндрический конденсатор, подключенный к источнику напряжения через резистор сопротивлением R = 10 МОм.

Металлический корпус настолько тонкий, что гамма-излучение может проходить через него. Для того, чтобы иметь возможность регистрировать также альфа - и бета-излучение, а также рентгеновское излучение, имеется на одном торце трубки слюдяное окно. Оно очень чувствительно к механическим нагрузкам и должно быть защищено с помощью прилагаемой крышки. Для того чтобы избежать коронного разряда конец осевой проволоки счетчика имеет форму шара. Импульс напряжения, снимаемый с резистора, передается на вход усилителя с помощью кабеля BNC.

Рис. 4: Схема включения счетчика Гейгера-Мюллера

Рис. 5: Схематический ход кривой счетной характеристики

Характеристика счетчика описывает его рабочий диапазон, то есть диапазон напряжения, в котором он надежно подсчитывает входящие частицы.

Если ионизирующее излучение проходит через счетчик, частицы газа ионизируются и высвобождаются первичные электроны. Они ускоряются в направлении анода. Тем не менее, они достигают анода, если они не рекомбинируют с частицами газа на их пути. Если напряжение счетчика слишком низкое некоторые электроны и положительные ионы теряются на их пути, и результирующий сигнал не будет полным (диапазон рекомбинации). Когда напряжение увеличивается до определенного уровня, все электроны попадают на анод. С этого момента, ток пропорционален энергии частиц в излучения. При дальнейшем увеличении напряжения, первичные электроны приобретают энергию достаточную для дополнительной ионизации частиц газа. Измеренный ток, однако, по-прежнему пропорционален энергии частиц падающего излучения (пропорциональный диапазон).

Если напряжение счетчика увеличено дополнительно, то интенсивность тока ионизации остается постоянной в течение определенного интервала напряжения. Каждая частица, которая входит в счетчик порождает одинаковый импульс тока, так как вошедшая частица инициирует полный газовый разряд. Этот интервал также известен как плато Гейгера-Мюллера или счетчик в области Гейгера-Мюллера (рис. 5). Плато должно быть как можно шире, и иметь незначительный наклон. Если счетчик работает в этом диапазоне напряжений, его также называют спусковым счетчиком. Дальнейшее увеличение напряжения счетчика будет вызывать самостоятельно поддерживающийся газовый разряд, который приводит к неисправности счетчика.

Задание

Определить счетную характеристику счетчика.

Эксперимент может быть выполнен, как в управлении с рентгеновской установки, так и в компьютерном управлении.

Порядок работы без компьютера

- Для установки анодного напряжения и тока обратитесь к меню “X-ray parameters” (см. красные маркировки на рисунке 6). Выберите напряжение 35 кВ и силу тока 0,02 мА. Это приводит к скорости счета около 1500 импульсов в секунду, что вполне достаточно для измерения без изнашивания счетчика.

- В разделе “Menu”, выбрать “Settings на дисплее.

- В следующем окне выберите “GM voltage” и указать нужное значение с помощью клавиш со стрелками.

Рис. 6: Часть интерфейса программного обеспечения базового блока

- Время измерения импульсов в секунду должно быть установлено в соответствии с “Menu”, “Settings”, “Gate time”. Мы рекомендуем установить время измерения примерно на 10 секунд для того, чтобы уменьшить статистические отклонения.

- Запишите скорость счета при напряжении на счетчике от 300 до 600 B с шагом 10 В. В точке перегиба, использовать меньшие шаги (1 В).

Порядок работы с компьютером

Рис. 7: Соединение компьютера

- Подключите рентгеновский аппарат с помощью кабеля USB к USB-порту компьютера (правильный порт рентгеновского аппарата отмечается в рисунке 7).

Рис. 9: Настройки счетчика

- Запустите программу “measure”. На экране будет отображаться виртуальный рентгеновский аппарат.

Рис. 8: Настройки напряжения и тока

- Вы можете управлять рентгеновским аппаратом, нажав на различные функции в соответствии с виртуальной рентгеновской установки. Кроме того, вы также можете изменить параметры в реальном рентгеновском аппарате. Программа автоматически принимает настройки.

- Если вы щелкните на экран виртуальной рентгеновской установки, вы можете изменить параметры экспериментов (рис. 8).

- Щелкните по окну "X-ray adjustment" для изменения напряжения и тока рентгеновской трубки. Выберите настройки, как показано на рисунке 9.

- Запишите скорость счета при напряжении счетчика от 300 до 600 B с шагом 10 В. В точке перегиба, использовать меньшие шаги (1 В).

Таблица 1: Значения

V, В	N, имп.

Расчет

Положение плато колеблется от счетчика к счетчику. Следующий результат является примером, и, следовательно, фактические значения измерения могут отличаться.

Измеренные значения приведены в таблице 1, и результат представлен в графической форме на рисунке 10. До напряжения 336 вольт не все импульсы достигают анода. Далее следует плато. В то же время любое превышение напряжения плато приводит к повреждению счетчика, это не рекомендуется, а также невозможно применить напряжения > 600 В.

Примечание:В случае напряжений счетчика ниже величины спускового разряда, ход характеристической кривой зависит от ионизационной способности падающего излучения (рис 10). Если счетчик регистрирует сильно ионизирующие частицы, в результате ток ионизации сильнее, чем в случае слабо ионизирующих частиц. Интенсивность рентгеновского излучения не является достаточным для причинения значительного тока ионизации.

Наклон плато определяется (в % на 1 B) по формуле:

(1), где

N₁-скорость счёта, соответствующая началу плато,

N₂- скорость счёта, соответствующая концу плато,

N_ср - средняя скорость счёта,

DU- протяжённость плато в вольтах (по оси абсцисс).

В тоже время необходимо учитывать статистику результатов измерения. Для этого необходимо провести линейную аппроксимацию экспериментальных данных в области плато.

Это можно выполнить следующим образом:

1. Используя фактические данные таблицы в задании, с помощью программного приложения "Origin Pro 8.6" создайте таблицу впервой колонке, которой укажите значения напряжения, а во второй число набранных импульсов за 10 секунд. В ячейках "Long Name" введите соответственно V и N, а в ячейках "Units" – B и имп.
2. Для исключения данных, не относящихся к плато, выделите их мышкой в обоих колонках (в примере девять позиций от 300 по 336 В) и щелкните по иконке "Mask range".
3. Выберите в меню программы "Column"→"Add New Columns" и добавьте к таблице одну колонку, в ячейке "Long Name" которой введите N_ср. Для расчета N_ср нажмите "Alt+3". В появившемся командном окне введите "Col(C)[1]=Mean(Col(B))".
4. Выделите мышкой первые две колонки и постройте график зависимости скорости счета от напряжения счетчика с помощью иконки "Line+Symbol".
5. Выберите в меню программы "Analysis"→"Fitting"→"Linear Fit"→"Open Dialog". В диалоговом окне нажмите кнопку "Ok".


6. На графике переместите таблицы так, как показано на рис. 10.

Рис. 10: Скорость счета как функция напряжения счетчика

1. Если щёлкнуть дважды по отдельной точке на графике, то в появившемся окне можно изменить форму и размер точки и если в верхней таблице щёлкнуть дважды по линии "Linear Fit of Sheet1 N", то можно изменить цвет линии.
2. Выберите в меню программы "File"→"Export Graphs"→"Open Dialog". В появившемся окне укажите для "Image Tape"→"(*.jpg)", а также укажите имя файла и путь его сохранения и нажмите "Ok". Впоследствии вы можете приложить к отчету сохраненный график.
3. В нижней таблице значение "Slope" соответствует тангенсу наклону прямой, который в формуле (1) означает

1. В таком случае для примера указанного таблицей 1 для наклона плато получаем

1. Найдя середину плато, определить рабочее напряжение прибора

, где

U₁-напряжение, соответствующее началу плато,

U₂- напряжение, соответствующее концу плато

Отчет по работе должен содержать.

1. Цель работы.

2. Краткую теорию.

3. Описание установки.

4. Результаты измерений (таблицы).

5. Расчеты.

6. Вывод.

Вопросы к отчету

1. Устройство и принцип действия газоразрядных счетчиков.

2. Зависимость импульса тока в счетчиках от приложенного напряжения.

3. Схема включения счетчика Гейгера-Мюллера.

4. Описание установки.

Литература

1. Техническая документация и методические указания немецкой фирмы PHYWE (на английском языке).
2. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. В 3-х тт. Т. 1. Физика атомного ядра, 2009 Издательство: "Лань", 978-5-8114-0739-2, Год: 2009, 7-е изд, стер.
3. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. В 3-х тт. Т. 2. Физика ядерных реакций, 2009 Издательство: "Лань", ISBN: 978-5-8114-0740-8, Год: 2009, 7-е изд, стер.
4. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. В 3-х тт. Т. 3. Физика элементарных частиц, 2008 Издательство: "Лань", 978-5-8114-0741-5, Год: 2008, 6-е изд., испр.
5. Ракобольская И.В. Ядерная физика. Изд. МГУ, 1981
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики, атомная и ядерная физика, ч.2.М.Наука,1989
7. Методические пособия к лабораторным работам по курсу «Физический практикум (Атомная физика)».
8. Приложение «Электронные учебные пособия старшего преподавателя кафедры экспериментальной физики Сорокина Ю.В.»

Методическое пособие разработал старший преподаватель кафедры экспериментальной физики Сорокина Ю.В.»