Теоретичні відомості, опис приладів та методики вимірювання

 

У результаті взаємодії b-частинок, що випромінюються під час радіоактивного розпаду, з речовиною відсувається втрата енергії. Механізм взаємодії визначається енергією самих частинок. При невеликих значеннях енергії частинок втрати визначаються головним чином витратою енергії на іонізацію. При великих енергіях основним механізмом послаблення є гальмування електронів ядрами атомів, в результаті чого їх енергія зменшується за рахунок випромінювання рентгенівських фотонів. При ще більших енергіях b-частинок у речовині може розвинутися каскадна злива, що супроводжується утворенням пар електрон − позитрон, вторинних фотонів і електронів іонізації. Граничне значення енергії, що відділяє зони переважаючого значення кожного з ефектів, різні для різних речовин.

Вивчаючи послаблення b-випромінювання речовиною, можна визначити максимальне значення Е_mах у спектрі енергії b-частинок (рис. 45).

Якщо через поглинач (рис. 46) пропускати потік частинок, то внаслідок поглинання, розсіювання і т.д. залежність інтенсивності потоку b-частинок від товщини шару поглинача має вигляд

(1)

де І(0) − інтенсивність потоку, що падає на поглинач, І(х) − інтенсивність потоку після проходження шару поглинача товщиною х, m − масовий коефіцієнт послаблення, r − густина речовини.

При деякому значенні х = х_max відбувається повне поглинання потоку випромінювання в даній речовині. х_max називається пробігом частинок і залежить від їх максимальної енергії. Величину R = rх_max називають ефективним масовим пробігом. Вона практично не залежить від виду конкретного поглинача і зв'язана з граничною енергією b-спектру такими емпіричними співвідношеннями

R = 0,54 Е_mах − 0,13 для 0,8 < Е < 3 МеВ, (2)

R = 0,41 для 0,15 < Е < 0,8 МеВ. (3)

R у (2), (3) вимірюється в грамах на квадратний сантиметр, Е_mаx − у мегаелектронвольтах.

Взаємодія g- та b-випромінення носить електромагнітний характер. Основними видами взаємодії g-променів є фотоефект, ефект Комптона і утворення електронно-позитронних пар.

Фотопоглинання чи фотоефект полягає у тому, що g-квант з енергією hn перевищує енергію Е_зв зв'язку K-електрона (L-електрона, M-електрона та інш.) в атомі, вибиває його з електронного шару, а сам при цьому перестає існувати. Виникаючий при цьому швидкий електрон мав кінетичну енергію

(4)

"Вакантне місце" вибитого K- (L-, M-,…) електрона заповнюється одним із зовнішніх електронів і поряд з вивільненим електроном з'являється один чи декілька фотонів характеристичного випромінювання. Ймовірність фотоелектричного поглинання g-квантів велика тільки при близьких значеннях енергії g-кванту і енергії зв'язку електрона в атомі, тому що фотоефект можливий тільки на зв'язаних електронах. При підвищенні енергії g-променів ймовірність фотоефекту швидко зменшується.

При енергіях 0,3 ¸ 5,0 МеВ основну роль у послабленні g-променів відіграє комптон-ефект. Він полягає в розсіянні g-квантів на "вільних" електронах. У результаті цього процесу частина енергії налітаючого фотону передається електрону віддачі. Після ряду, розсіювань квант повністю поглинається.

При енергіях g-квантів більших 3 ¸ 5 МеВ переважає процес народження електронно-позитронних пар. При енергіях g-квантів більших Е = 2m₀с² = 1,022 МеВ (m₀ − маса спокою електрона) можливі процеси утворення електронно-позитронних пар у кулонівському полі ядер поглинача. При енергіях більших 3 ¸ 5 МеВ ці процеси стають переважаючими.

У даній роботі використовується радіометр Б-4, що складається із блоку газових лічильників БГЛ, перелічувального приладу ПП-16 із вхідним пристроєм та блоком живлення. Сигнали з блоку газових лічильників потрапляють на вхідний пристрій, який служить для перетворення сигналів в стандартні за амплітудою і тривалістю імпульси. Сформовані вхідним пристроєм, імпульси потрапляють на перелічувальний пристрій, що складається з шести декатронних блоків. Для визначення Е_mах між джерелом b-випромінювання і лічильником Гейзера − Мюллера розміщують почергово алюмінієві пластини різної товщини. Із збільшенням товщини шару швидкість лічби імпульсів зменшується, а при х ³ х_mах практично не змінюється.

Побудувавши графік залежності швидкості лічби частинок від товщини шару поглинача, можна визначити х_mах, а значить і R = rх_mах і потім, використовуючи співвідношення (2), визначити E_mах.

Для знаходження коефіцієнта послаблення b-частинок експонентну залежність (рис. 47) необхідно зобразити в напівлогарифмічних координатах, відклавши по осі абсцис товщину поглинача, а по осі ординат у = ln(І(0)/І(х)). За цим графіком можна визначити коефіцієнт послаблення m, як тангенс кута нахилу прямої у(х) (рис. 48).

 

Порядок виконання роботи

 

1. Перевірка вірності лічби імпульсів.

1.1. Кнопки перемикачів "Вход" радіометра поставити у положення «1 : 1», «».

1.2.Натиснути і зафіксувати кнопку "50 Гц".

1.3.Під'єднати радіометр до електричної мережі ~220 В.

1.4.Натиснути і зафіксувати кнопку "Сеть" і дати приладу прогрітися 5 хв.

1.5. Одночасно з секундоміром натиснути і зафіксувати кнопку "Пуск". Через 3 хв натиснути кнопку "Стоп" і розрахувати кількість імпульсів за 1 с. Якщо відхилення від стандартного значення не перевищує 3%, прилад готовий до роботи.

1.6. Натиснути і відпустити кнопку "Сброс". При цьому на всіх декатронах повинні висвітитися нулі.

2. Визначення природного фону.

2.1. Кнопки перемикача "Вход" поставити у положення «1 : 1», «», «». Повторним натисканням кнопки "50 Гц" поставити її в положення "Работа".

2.2. Одночасно із натисканням кнопки "Пуск" увімкнути секундомір, через 5 хв натиснути кнопку "Стоп".

2.3.Визначити середнє значення фону за 1 хв.

3. Вивчення послаблення b-променів.

3.1. Розмістити навпроти вікна камери лічильника Гейзера − Мюллера радіоактивний препарат на стійці.

3.2.Визначити кількість імпульсів за 5 хв.

3.3. Послідовно встановлювати в пази камери алюмінієві пластини різної товщини і визначити відповідно число імпульсів для кожної з них (N₁, N₁, N₁,....) за 5 хв.

3.4. Побудувати криву залежності кількості імпульсів від товщини шару поглинаючої речовини, відкладаючи по осі абсцис товщину шару в мм, а по осі ординат швидкість лічби за 1 хв (п − п_ф).

3.5. За одержаною кривою визначити товщину шару х_mах поглинача, що повністю затримує b-частинки.

3.6. Знаючи густину r_Al і х_mах, визначити за формулою (2) значення E_mах для даної речовини.

3.7.Пункти 3.1 − 3.6 повторити з мідними пластинами.

3.8. Побудувати графік залежності ln(І(0)/І(х)) від х для алюмінієвих і мідних поглиначів і визначити коефіцієнти послаблення m_Al і m_Cu.