Определение длины пробега a-частиц в воздухе

Цель работы:

экспериментальное определение энергии и длины пробега a-частиц в воздухе

Приборы и принадлежности:

измерительная установка ФПК 03

Литература:

Савельев И. В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. Учебное пособие для втузов. – М.: ООО "Издательство Астрель", 2002. – 368 с.

Сивухин В. Д. Общий курс физики. Учебное пособие для физических специальностей вузов: в 5 томах. Т. 5. Атомная и ядерная физика, - 4-е изд., стер. – М.: Физматлит: Изд. МФТИ, 2002. – 784 с.

Шпольский Э. В. Атомная физика. Т. 1. – М.: Наука, 1984. – 552 с.

Введение

Испущенные радиоактивным источником a-частицы, двигаясь в некоторой среде, теряют свою кинетическую энергию в процессах возбуждения и ионизации. Длиной пробега a-частиц называют расстояние, которое проходит a-частица от точки эмиссии до точки, в которой ее энергия становится равной средней энергии теплового движения атомов среды. Установлено, что траектории a-частиц в газах являются прямолинейными, и длина пробега зависит от вида радиоактивного источника (от энергии испущенных a-частиц) и от химической природы окружающего газа. Для измерения длины пробега частиц исследуется зависимость интенсивности их потока от пройденного в веществе расстояния.

Приборы, предназначенные для регистрации частиц, называют детекторами. В зависимости от принципа действия, детекторы подразделяют на счетчики и трековые детекторы. В настоящей работе используется счетчик, являющийся разновидностью ионизационного детектора. Катод К детектора выполнен в виде плоской пластины, анод А – в виде нескольких проволочек, расположенных параллельно плоскости катодной пластины.

 Принцип действия ионизационного детектора основан на использовании процесса ионизации атомов и молекул, вызванного регистрируемой частицей. При прохождении ионизирующей частицы через рабочий объем детектора под действием напряжения U в нем возникает импульс тока, заставляющий срабатывать счетчик импульсов (см. блок-схему на рис. 1).

Рис. 1 Блок-схема установки. А – анод, К – катод, R – формирующий резистор, С – разделительный конденсатор, U – источник высокого напряжения.

Последовательно с детектором включен резистор R, сопротивление которого несколько мегаом. В паузе, когда отсутствуют ионизирующие частицы, газовый промежуток анод-катод имеет большое сопротивление и все напряжение источника приложено к нему. За счет ионизации сопротивление промежутка резко падает, в нем возникает ионизационный ток, создающий падение напряжения на резисторе R. При этом напряжение на газовом промежутке падает, и импульс тока оканчивается. Импульс тока создает импульс напряжения на резисторе R, который заставляет срабатывать счетное устройство.

Число зарегистрированных импульсов (а значит – частиц) зависит от расстояния до счетчика и имеет вид подобный приведенному на рисунке 2. Прямолинейный характер движения a-частиц в воздухе и одинаковая длина пробега частиц с одной и той же энергией позволяют определять их энергию по длине пробега. Для этого используется эмпирическая формула

,                                                              (1)

где L – длина пробега a-частиц в воздухе (в сантиметрах), Е – энергия a-частицы (в МэВ).

Рис. 2. LMAX – наибольшая длина пробега, при которой интенсивность потока частиц становится равной нулю, <L> – средняя длина пробега, при которой интенсивность потока частиц уменьшается в два раза, LЭКС – экстраполированная длина пробега.

Устройство и принцип работы

 экспериментальной установки

Принцип действия установки основан на регистрации и подсчете числа частиц при помощи счетчика ионизирующего излучения. В данной установке используется детектор с рабочим веществом – воздухом при атмосферном давлении. a-частицы, попадая в детектор, ионизуют наполняющий его воздух и вызывают кратковременный разряд, преобразуемый в импульсы напряжения, которые регистрируются и подсчитываются.

Рис. Внешний вид измерительной установки.

Экспериментальная установка содержит однокристальную микро-ЭВМ с дополнительными устройствами, позволяющими производить подсчет числа импульсов, поступающих от детектора, индицировать его на табло, устанавливать длительность промежутка времени между началом и окончанием измерений, автоматически останавливать работу установки при переполнении счетчиков.

На передней панели установки размещены следующие органы управления и индикации:

1. кнопка СБРОС, предназначенная для приведения установки в исходное состояние перед началом измерений (или прерывания измерений с установкой в исходное состояние),

2. кнопка ПУСК/СТОП – для включения режима измерения в начале работы (или после остановки измерения), а также для прерывания измерений без установки в исходное состояние),

3. кнопка УСТАНОВКА – для включения/выключения (путем повторного нажатия) режима задания времени измерения,

4. кнопки "+" и "-" для установки длительности промежутка счета. При кратковременном нажатии кнопки устанавливаются единицы секунд, при длительном – десятки секунд. Диапазоны 99,9 и 999 переключаются автоматически.

5. Жидкокристаллический индикатор показывает информацию о количестве частиц, времени измерения и режима работы.

6. На задней панели установки находится выключатель сети.