Лабораторная работа № 96

ОПРЕДЕЛЕНИЕ пробега β-частиц в алюминии и ее максимальной энергии

Фамилия И.О. _________________   Группа __________   Дата ______

Введение

 

Бета-частицы представляют собой поток быстрых электронов, испускаемых ядрами β-радиоактивных элементов. Характерным для β-распада является то, что электроны, испускаемые данным элементом, имеют непрерывный энергетический спектр. Это означает, что β-электроны обладают всевозможными значениями энергии от нуля для некоторого максимального Еmax (рис. 1).

На рис. 1 показано распределение β-электронов по энергиям, где по оси абсцисс отложена энергия, а по оси ординат – число частиц N.

При прохождении через вещество в результате взаимодействия с его атомами β-частицы теряют энергию. Потеря энергии β-частицы происходит главным образом за счет ионизации вещества и рентгеновского излучения при торможении ее ядрами поглощающего вещества. Потери энергии частицами на тормозное излучение называются радиационными.

Вследствие того, что β-частицы обладают малой массой и значительными скоростями, то их ионизирующая способность невелика, а проникающая способность (пробег) достигает сравнительно большой величины. При увеличении толщины поглотителя интенсивность β-излучения уменьшается и при некоторой толщине становиться равной нулю.

Степень ослабления потока β-частиц при прохождении через вещество зависит от плотности вещества, толщины поглотителя и энергии β-частиц.

Понятие пробега для электрона данной энергии в данном веществе не является однозначным, так как при небольших энергиях, то есть в той области, где преобладают ионизационные потери, путь электрона вследствие столкновений не будет прямолинейным. Поэтому для электронов вводится величина, называемая максимальным пробегом. Максимальным пробегом называется минимальная толщина слоя вещества, в котором задерживаются все электроны. Очевидно, что максимальный пробег совпадает с полным, обычно криволинейным путем, который электрон проходит в веществе.

Для оценки пробега β-частицы вместо толщины слоя вещества часто используют величину, равную произведению толщины слоя dm на плотность вещества ρ.

Максимальную энергию β-частицы в алюминии приближенно можно оценить по эмпирическим формулам:

при Еmax > 0,8 МэВ

                      (1)

при Еmax < 0,8 МэВ

                      (2)

где ρ – плотность алюминия, Г/см³; dm – минимальная толщина поглотителя, см; Emax – максимальная энергия, МэВ.

В этом случае максимальный пробег R выражается в Г/см².

Для регистрации заряженных частиц в счетчиках используется усиление ионизационного тока за счет разряда, возникающего при попадании заряженной частицы в объем счетчика.

Счетчики Гейгера-Мюллера представляют собой обычный цилиндрический конденсатор, внутренним электродом которого служит тонкая, установленная по оси цилиндра, металлическая нить (анод) диаметром от 0,1 до 0,2 мм (рис. 59).

Заполняется счетчик каким-либо газом (водород, воздух, аргон) до давления от 1 мм до 100 мм.рт.ст. Между анодом А и катодом К (цилиндром) создается разность потенциалов несколько ниже разности потенциалов, при которой происходит самостоятельный разряд в газе (700-1200 В).

При попадании заряженной частицы в счетчик в нем возникает лавинный разряд, ток которого, проходя через большое сопротивление (порядка 109 Ом) регистрирующего прибора вызывает падение напряжения между электродами – разряд при этом прекращается. Через промежуток времени порядка 10-4 с разность потенциалов между электродами счетчика восстанавливается. Появление новой заряженной частицы в объеме счетчика ведет к возникновению нового разряда и т.д.

Одной из характеристик, определяющей качества счетчика, является зависимость между скоростью счета (числом импульсов в минуту) и напряжением, приложенным к электродам, при воздействии на него излучением постоянной интенсивности (рис. 60).Счетчик реагирует на заряженные частицы при напряжении выше V1, при напряжении от V1 до V2 число отсчетов увеличивается с напряжением почти линейно. Более или менее горизонтальная часть (от V2 до V3) характеристики называется плато.

В этой области при повышении напряжения число отсчетов в минуту изменяется незначительно. При напряжении большем V3 происходит непрерывный разряд. Рабочее напряжение счетчика должно соответствовать средней точке плато.

Если между счетчиком и источником β-излучения помещать алюминиевые пластинки, то по мере увеличения толщины слоя алюминия скорость счета частиц уменьшается. Зависимость скорости счета частиц от толщины слоя алюминия изображена на рис. 2.

Точка пересечения кривой с осью абсцисс (точка, которой соответствует нулевая интенсивность) определяет пробег β-частицы. Определив экспериментально dm, зная плотность алюминия ρ = 2,6 Г/см³, можно по соответственной формуле (1) или (2) определить величину максимальной энергии     β-частицы Emax в МэВ.

Порядок выполнения работы

При работе с установкой необходимо соблюдать меры предосторожности, так как на отдельные части установки подается высокое напряжение.

1.         Проверить заземление установки.

2.         Включить блок питания и пересчетный прибор ПП-16 в сеть 220 В.

3.         Кнопки переключателей «вход» должны соответствовать состоянию делителя «1:1» и знаку ~.

4.         Нажать и зафиксировать кнопку «50 Hz».

5.         Нажать кнопку «пуск» и одновременно включить секундомер.

6.         Через 1 минуту нажать кнопку «стоп» и убедиться в правильности работы прибора. За минуту прибор должен отсчитать 3000±5 отсчетов.

7.         Нажать и отпустить кнопку «сброс».

8.         Кнопки переключателей «вход» поставить в положения «1:1», «_|¯|_ ¯|_|¯» и «_|¯|_».

9.         Кнопку «50 Hz» поставить в положение «Работа».

10.     Поместить источник β-частиц в держатель и отсчитать число импульсов в минуту – n имп/мин.

11.     Помещать между источником β-частиц и счетчиком одну за другой пластинки алюминия известной толщины – d, каждый раз делая отсчет n имп/мин. Пластинки добавлять до тех пор, пока число импульсов в минуту при данном источнике β-частиц не станет равным или очень мало отличаться от нуля. Каждое измерение проводить не менее трех раз.

По найденным значениям  5-6 измерений построить график зависимости n имп/мин от толщины пластинок алюминия – d.

В случае, если n имп/мин ≠0, кривую следует продолжить до пересечения с осью абсцисс. Точка пересечения даст величину dm.

По найденному значению dm, зная плотность алюминия, определить максимальный пробег R, а затем по формуле (2) максимальную энергию β-частицы.

Данные измерений занести в таблицу.

измерения

Исследуемый

материал

Толщина пластинки

Число импульсов без пластинки

Число импульсов после прохождения излучения через пластинку

 

 

dm

 

 

R

Максимальная энергия частицы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислить погрешности измерения Еmax.

 

Контрольные вопросы

1.      Состав, масса,  размеры ядра. Изотопы. Сколько протонов и нейтронов  содержится в

2.      Что такое α, β, γ-излучения?

3.      От чего зависит поглощательная способность тел?

4.      Какие существуют счетчики элементарных частиц?

5.      Каков принцип работы счетчика Гейгера-Мюллера? Что такое плато счетчика?

6.    Чем объяснить существования фона счетчика?

7. Дать определение коэффициента линейного поглощения. Какова его размерность

8.      Что называется периодом полураспада элемента?

9.      Что называется активностью элемента? В каких единицах она измеряется?

10.     Какой изотоп образуется из  после 2-х β – распадов и одного α – распада ?

11.     Найти энергию связи ядра изотопа .

12.     Во сколько раз уменьшится активность препарата 15Р32 через t = 20 сут. Т1/2 = 14,3 суток для 15Р32 ?