Сцинтилляционный счетчик ядерных излучений

Цель работы: изучение работы сцинтилляционного счетчика ядерных излучений.

Содержание работы

Атомное ядро - это сложная квантовая система, которая может находиться в различных энергетических состояниях. Наименьшее энергетическое состояние называется основным. Остальные состояния - возбужденными. Спектр энергетических состояний атома дискретный, то есть энергия атомного ядра может принимать только вполне определенные значения. В возбужденном состоянии ядро неустойчиво и всегда стремится перейти в меньшее по энергии состояние, при этом происходит процесс испускания ядром γ- кванта (или конверсионного электрона), энергия которого равна разности энергий соответствующих состояний E₂ и E₁ (1).

(1)

Где E_γ = hν, h - постоянная Планка, ν- частота излучения.

Так как ядра имеют большое количество уровней, и испускание γ -квантов происходит вполне определенным образом согласно правилам отбора, то определение энергии перехода ядра в меньшее энергетическое состояние сводится к определению энергии γ -кванта (или конверсионного электрона) по определенной для данного элемента схеме энергетических уровней.

Экспериментально энергия γ-квантов определяется по вторичному излучению, возникающему при взаимодействии γ-кванта с веществом. При прохождении
γ -излучений через вещество вследствие взаимодействия γ -квантов с атомами веществ происходит ослабление интенсивности пучка.

В диапазоне энергий радиоактивных препаратов 0.05-3 МэВ основными являются следующие три процесса взаимодействия фотонов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование электронно-дырочной пары.

В эффекте Комптона вместо падающего фотона с энергией E_γ возникает рассеянный фотон с меньшей энергией E_γ’ < E_γ, а электрон, подвергшийся рассеянию, приобретает дополнительную энергию E_e= E _γ - E _γ’ (рис.1 )

Рис.1

При фотоэффекте энергия фотона полностью поглощается атомом, и вылетает один из электронов i-той оболочки с энергией E_e (2):

E_e= E_γ - I_i , i = K,L,M..., (2)

где I_i - потенциал ионизации i-той оболочки атома.

Процесс образования электронно-дырочной пары маловероятен, так как возможен при очень высокой энергии γ -квантов ( ~ 10 МэВ).

Вероятность каждого из рассмотренных эффектов зависит от энергии γ-квантов. Это позволяет анализировать энергетические состояния ядер в атомах и элементный состав γ -радиоактивных веществ по энергетическому спектру вторичных электронов.

Таким образом, при прохождении через вещество γ-кванта, его энергия тратится на ионизацию атомов и их возбуждение. При возвращении атомов в основное состояние выделяется энергия, которая превращается в тепло, частично испускаясь в виде фотонов видимого света. При определенных условиях эти фотоны могут выходить из тела, где они образовались. Возникающие вспышки света называются сцинтилляциями.

Для преобразования сцинтилляций в электрические импульсы используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), основными элементами которого являются фотокатод и ускоряющие электроды.

Детекторы излучения, состоящие из сцинтиллятора и ФЭУ, называются сцинтилляционными счетчиками.

Приборы и оборудование

Установка состоит из объекта исследования (ОИ) и устройства измерительного (УИ), соединяемых между собой кабелем.

Схема установки приведена на рис. 2.

Рис.2

ОИ конструктивно выполнен в виде цилиндра, установленного с помощью стойки на штативе. В нем размещены: кристалл сцинтиллятора, фотоэлектронный умножитель с цепями питания и устройство сопряжения. На верхний торец цилиндра установлен держатель для источника γ-излучения, а из нижней части корпуса выведен кабель с двумя разъемами для подключения объекта исследования к устройству измерительному (один - для подключения к высоковольтному источнику питания фотоэлектронного умножителя, второй - для передачи выходного сигнала с объекта исследования к устройству измерительному и напряжения питания для устройства сопряжения объекта исследования).

Гамма-излучение (фоновое или фоновое плюс от источника), воздействуя на сцинтиллятор, вызывает в его кристалле световые импульсы, пропорциональные энергии γ квантов, которые усиливаются ФЭУ и устройством сопряжения. В результате этого, на выходе объекта исследования получаются импульсы напряжения, амплитуда которых пропорциональна энергии воздействующих на сцинтиллятор γ-квантов. Эти импульсы поступают на вход устройства измерительного для дальнейшей обработки

УИ содержит устройство сопряжения, высоковольтный преобразователь, цифровой вольтметр и источники питания.

Устройство сопряжения предназначено для обработки импульсов, поступающих с объекта исследования (дополнительное усиление и преобразование значения амплитуды в цифровую форму), передачи полученной информации в ПЭВМ и организации связи с последней.

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

- ручка НАПРЯЖЕНИЕ (2) - предназначена для установки и регулировки высокого напряжения питания ФЭУ объекта исследования.

- индикатор кВ (1) - предназначен для индикации значения величины высокого напряжения питания ФЭУ объекта исследования.

На задней панели устройства измерительного расположены выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой, разъемы для подключения объекта исследования и кабель с разъемом для подключения устройства измерительного к ПЭВМ.

Порядок выполнения работы

1. Включить установку выключателем СЕТЬ на задней панели устройства измерительного при этом на индикаторе кВ должно установиться значение 0,00.

2. Включить ПЭВМ согласно ее эксплуатационной документации.

3. Дать прогреться аппаратуре в течение 5 мин.

4. Запустить программу fpk12_1.exe на ПЭВМ.

5. Поворачивая ручку “Напряжение”, установить на индикаторе «кВ» значение напряжения в пределах 0.6 ... 1.0 . (напряжение питания ФЭУ).

6.Установить держатель образца с источником (если он применяется) на объект исследования.

7. Пользуясь указаниями на дисплее ПЭВМ, установить полосу пропускания импульсов (ограничение сверху и снизу).

8. Нажатием клавиши Еnter (Ввод) запустить режим измерения и индикации количества зарегистрированных частиц. Измерение можно производить до переполнения любого из 50 каналов устройства и автоматической остановки или за фиксированный промежуток времени с остановкой вручную.

9. Используя данные на экране дисплея, определить количество импульсов, которое зарегистрировал блок детектирования в заданном диапазоне амплитуд за определенный промежуток времени или за время измерения до автоматической остановки.

10. Изменить напряжение питания ФЭУ и повторить измерения согласно п.8, п.9

11. Изменить полосу пропускания импульсов и повторить п.8, п.9.

Результаты измерений занести в таблицу:

№№	Время, с	Vmin, B	Vmax, B	U, кВ	Nимп

12. Нажатием клавиши F10 закончите работу с программой.

13. По окончании работы необходимо установить ручку НАПРЯЖЕНИЕ устройства измерительного в крайнее левое положение. Выключить ПЭВМ согласно ее эксплуатационной документации, после чего отключить установку, снять с объекта исследования держатель образца с источником (если он установлен) и сдать его на хранение.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте процессы взаимодействия g-квантов с веществом: эффект Комптона и фотоэффект.

2. Устройство и работа сцинтилляционного счетчика.

3. Определение энергии g-квантов сцинтилляционным счетчиком.