• 5

Работа 74. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОБЕГА а-ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ

Принадлежности: сферическая ионизационная камера с ламповым электро­метром «Кактус», форвакуумный насос с манометром, цилиндрическая камера с люминофором и фотоумножителем, камера с торцовым счетчиком, пересчетная установка.

I. Измерение пробега а-частиц 94Ри239 и скорости распада источника с помощью ионизационной камеры

Как известно, при торможении быстрых частиц в воздухе одна пара ионов образуется на каждые 35 эВ энергии, потерянной час­тицей. Таким образом, а-частица, обладающая энергией в несколько миллионов электрон-вольт, способна образовать громадное коли­чество пар ионов. Естественно, что величина импульса тока, возни­кающего в ионизационной камере, практически обусловлена только

этими ионами, а не зарядом самой а-частицы. Наибольший импульс происходит поэтому в том случае, когда а-частица растрачивает всю свою энергию в газе камеры и не достигает ее стенок.

Полное поглощение а-частиц газом, наполняющим камеру данных размеров и формы, возможно только при достаточной плот­ности газа, обеспечивающей полное тор­можение а-частиц. Основные сведения о работе ионизационной камеры изло­жены в приложении V.

Если изменять давление в камере, то ионизационный ток меняется, как это показано на рис. 244. При неболь­ших давлениях газа а-частицы передают часть энергии стенкам камеры. По до­стижении давления Рг все они заканчи­вают свой пробег внутри газа, и даль­нейшее возрастание тока прекращается. Для определения Рг чаще всего поль­зуются методом экстраполяции («экстра­полированный пробег»), продолжая нак­лонный и горизонтальный участки кривой до пересечения. Найден­ный таким образом пробег должен быть затем приведен к нормальной температуре и давлению. Вывод соответствующих формул мы предо­ставляем читателю.

Альфа-частицы, испускаемые 94Ри239, состоят из трех моноэнер­гетических групп, различие между которыми лежит в пределах 50 кэВ, т. е. составляет менее 1%. При той точности, кото­рая достигается в нашем опы­те, их можно считать совпа­дающими по энергии. Тем не менее токовые импульсы, воз­никающие в камере при про­хождении отдельных частиц, могут иметь разную величину. Это объясняется тем, что а- частицы при радиоактивном распаде излучаются не только с поверхности препарата и не только в сторону газа (отметим, кроме того, что число пар ионов, образуемых а-частицей, потерявшей в газе данное количество энер­гии, само несколько флюктуирует). Частицы, вылетевшие из глу­бинного ядра или направившиеся вначале в сторону подложки, затрачивают часть энергии на достижение поверхности (рис. 245). В результате этого в камере возникает целый спектр импульсов с амплитудой от нуля до некоторого максимального значения.

 

вая зависимости тока иони­зационной камеры от дав­ления.

Ионизация в камере создается а-частицами.

 

Зормий ялешрод

Слой радио- активного вещества^

Рис. 245. Траектории а-частиц в иониза­ционной камере.

Этот эффект был бы особенно заметен в камере с плоскими элек­тродами, так как в такой камере импульсы разной величины могут получаться при разных направлениях вылета а-частиц относительно электродов. Так, частица, вылетающая перпендикулярно электроду, достигает второго электрода, сохранив заметную скорость, в то время как другая частица, вылетающая под острым углом, расходует на ионизацию газа всю свою энергию.

Сферическая камера, у которой центральным электродом является небольшой (сравнительно с размерами камеры) диск с нанесенным тонким слоем плутония, свободна от этого недостатка. (Избавиться от него можно и в плоской камере, если установить над источником коллиматор, содержащий большое число тонких цилиндрических каналов, пропускающих только те а-частицы, кото­рые вылетают из источника в узком конусе, описанном вокруг нор­мали к его поверхности).

Напряжение на камере подбирается так, чтобы камера работала в области плато (см. приложение V). В нашей схеме на камеру подается 220 В.

В настоящей работе исследование пробега а-частиц производится по средней величине тока ионизации в сферической камере. Внутрен­ним электродом ионизационной камеры является диск диаметром 5 мм; на диск нанесен тонкий слой плутония 94Ри239, покрытый сверху тонкой пленкой клея. Вторым электродом служит внешняя оболочка камеры — полый шар с внутренним диаметром. 100 мм. Оба электрода тщательно изолированы один от другого и от земли. Вакуумная установка содержит краны и манометр. Она позволяет изменять давление в камере от атмосферного до 10 мм рт. ст.

Величина тока ионизации измеряется с помощью стандарт­ного лампового электрометра «Кактус», упрощенная схема которого изображена на рис. 246. Электрометр представляет собой двух- каскадный усилитель постоянного тока, собранный по мостовой схеме. Ионизационный ток камеры протекает по сопротивлению Ru равному при наибольшей (XI) чувствительности электрометра 10й Ом. При переключении на другие ступени чувствительности (X10, X 100, X 1000 и X 10 000) это сопротивление заменяется соот­ветственно сопротивлениями 1010, 109, 108 и 107 Ом. Падение напря­жения на Rx подается на одну из сеток двойного тетрода 2Э2П и вызывает разбалансировку напряжения в диагонали моста AAV Это влечет за собой изменение напряжения на сетках двойного триода 6Н15П, входящего в состав второго каскада электрометра.

Второй каскад также представляет собой мост, в диагональ которого ВВХ включен измерительный стрелочный прибор. По его Показаниям можно судить о величине ионизационного тока /.

Так как электрометр «Кактус» предназначен для контроля за рентгеновским и ^-излучением, то шкала прибора проградуиро- вана в микрорентгенах (при употреблении в качестве дозиметра

ко входу «Кактуса» должна быть подключена стандартная камера ДИГ). Чтобы использовать электрометр для измерения ионизаци­онного тока в сферической ионизационной камере, его нужно про- градуировать заново. Для этого на вход прибора следует подать небольшое известное напряжение снимаемое с делителя, который питается от аккумулятора (рис. 246). Напряжение на камере при этом должно быть, конечно, выключено (при помощи тумблера «Вклю-

 

и электрометра «Кактус».

образом, быть откалибрована в вольтах. Зная сопротивление Ru нетрудно произвести градуировку прибора по току /, текущему через камеру.

Кроме измерительной схемы, «Кактус» имеет сигнальное устрой­ство, включаемое параллельно измерительному прибору. Это устрой­ство дает сигнальные звонки при отклонении стрелки на всю шкалу и используется только при употреблении прибора в качестве дози­метра. В нашей работе сигнальное устройство отключено.

Сделаем несколько пояснений к схеме рис. 246. Заметим прежде всего, что все питание прибора (включая накал электрометрической лампы 2Э2П) осуществляется от одного источника постоянного

тока. Такой способ питания схемы позволяет изготовлять приборы с малым дрейфом нуля (более подробно вопрос этот рассмотрен в приложении VII).

Как почти во всех усилителях постоянного тока, в схеме «Кактус» происходит рост напряжения от каскада к каскаду. Сетки первой лампы 2Э2П находятся практически при потенциале Земли. Сетки второй лампы 6Н15П находятся уже при потенциале, равном анод­ному потенциалу первого каскада. Чтобы избежать положительных смещений на сетках второго каскада, катод этого каскада прихо­дится «приподнимать» до потенциала, несколько превышающего потенциал сеток. Этим объясняется выбор точки делителя, к которой присоединяется катод этой лампы. Рекомендуемый порядок вклю­чения прибора указан в приложении VIII.

Измерения. 1. Перед началом работы включите «Кактус» и дайте ему прогреться в течение 15-7-20 минут.

2.         Измерьте и запишите давление и температуру воздуха в комнате.

3.         После прогрева проверьте исправность установки и произве­дите предварительные опыты. Для этого измерьте величину тока в ионизационной камере при атмосферном давлении, а затем, наблю­дая за стрелкой измерителя тока прибора, начните откачивать воздух. Заметьте и запишите давление, при котором ток через камеру начинает уменьшаться. Продолжая откачку, запишите приближен­ные значения давления и тока еще в 4-f-5 точках. Закончите откачку, когда давление достигнет Ю-г-20 мм рт. ст.

4.         Результаты приближенных измерений представьте в виде графика, который используйте для составления плана измерений. Заметим, что план измерений определяется их целью. Так, если бы мы хотели исследовать детальный ход кривой, то наибольшее число точек следовало бы иметь в месте нерегулярного хода зависимости. В нашей задаче мы должны измерить так называемый экстраполиро­ванный пробег, который определяется пересечением двух прямых, поэтому наибольшее число точек должно быть на прямолинейных участках. Студентам рекомендуется самим подумать, как лучше выбрать точки для наиболее точного измерения экстраполирован­ного пробега.

5.         План измерений составьте в виде таблицы, в которую запишите величину давлений, выбранных для измерения тока. Количество точек, в которых будут производиться измерения, определяется временем, отведенным на выполнение задачи. Затем приступите к основным измерениям.

6.         Прежде всего проверьте нуль прибора. Затем с помощью крана с небольшим сечением (так называемого натекателя) изменяйте давление в камере и измерьте ток во всех намеченных точках.

7.         После окончания измерений постройте график. По графику проверьте, есть ли необходимость повторить измерения в тех или

иных точках, и определите экстраполированный пробег а-частиц в воздухе при условиях опыта. Пересчитайте найденное значение к нормальной температуре и давлению воздуха (О °С, 760 мм рт. ст.).

II. Исследование пробега а-частиц с помощью счетчика Гейгера — Мюллера

Для определения пробега а-частиц с помощью счетчика радио­активный источник помещается на дно стальной цилиндрической бомбы (рис. 247), в которой может перемещаться торцовый счетчик Гейгера — Мюллера (описание счетчиков и правила обращения с ними см. в приложении V). Рабочее напряжение счетчика указано

на установке. Импульсы, возникаю­щие в счетчике, усиливаются и ре­гистрируются установкой Б-2 (см. приложение VIII). Скорость отсчетов счетчика резко сокращается в тот мо­мент, когда расстояние между ним и препаратом начинает превышать про­бег а-частиц в воздухе (истинный пробег а-частиц несколько больше измеренного, так как часть энергии а-частиц тратится на прохождение слюдяной пластинки, прикрывающей счетчик, и пленки, закрывающей ис­точник).

Перемещение счетчика произво­дится путем вращения гайки, нахо­дящейся на крышке бомбы. Расстоя­ние между счетчиком и препаратом измеряется по шкале, нанесенной на держателе счетчика. Счетчик не может быть придвинут к препарату ближе чем на 6 мм, так как между источ­ником и счетчиком установлен коллиматор, изготовленный из плотно сжатых металлических трубок. Отверстия трубок пропус­кают к счетчику только те а-частицы, которые вылетают из источ­ника почти перпендикулярно его поверхности.

Измерения: 1. Включите установку Б-2. Поднимите напряжение на счетчике до рабочего значения.

2. Проверьте работу установки. Для этого измерьте скорость счета при нулевом положении счетчика, затем на отметке «5 см» и снова при нулевом положении. Скорость счета обоих измерений при нулевом положении счетчика должна совпадать в преде­лах статистики, а в положении «5 см» должна быть значительно меньше.

 

Источник

Рис. 247. Схема установки для измерения пробега а-частиц в воздухе.

3.         Составьте план измерений в виде таблицы, как это описано в первом опыте. При составлении плана используйте результат, полученный при опытах с ионизационной камерой.

4.         Приступите к основным измерениям. Перемещая счетчик отно­сительно препарата и отмечая интенсивность счета в выбранных точках, исследуйте зависимость счета N от расстояния d между источ­ником и счетчиком.

5.         Результаты измерения изобразите на графике в координа­тах N, d.

Количество импульсов, набираемых в каждой точке, и число точек определяются временем, которое может быть выделено для выполнения данной задачи. Желательно, чтобы количество отсчетов в различных точках обеспечивало примерно одинаковую абсолютную статистическую ошибку.

III. Определение пробега а-частиц с помощью сцинтилляционного счетчика

Установка состоит из цилиндрической камеры, на дне которой находится исследуемый препарат. Камера герметически закрыта стеклянной пластинкой, на ко­торую с внутренней стороны нанесен слой люминофора. К стеклу прижат фотоумножитель ФЭУ-19, включенный в пересчет­ную установку ПС-20 (рис. 248). Рабочее напряжение питания фотоумножителя указано на ус­тановке.

Расстояние между препара­том и люминофором составляет 9 см, так что а-частицы не мо­гут достигнуть люминофора при обычном давлении.

Изменяя давление Р при помощи форвакуумного насоса и наблюдая изменение интен­сивности N счета, постройте график в координатах N, Р, по которому определите пробег ос- частиц при условиях опыта. Пе­ресчитайте найденное значение к нормальной температуре и давлению воздуха (О °С, 760 мм рт. ст.).

Обработка результатов. 1. Сравните данные, полученные всеми тремя методами, и оцените их точность.

15 п/р Л. Л. Гольдина

 

Кнасосу и манометру

^Источник

Рис. 248. Схема установки для изме­рения пробега а-частиц с помощью сцинтилляционного счетчика.

Из сравнения результатов определите толщину слюдяной плас­тинки, закрывающей торцовый счетчик 1).

Из приближенной формулы

A = 0,32£«V2

(X — пробег а-частицы в воздухе, выраженный в сантиметрах, Е — энергия а-частицы в мегаэлектрон-вольтах) определите энер­гию а-частиц плутония. Рассчитайте количество пар ионов, созда­ваемых в ионизационной камере одной а-частицей.

2.         По измеренной величине тока I в ионизационной камере и рассчитанному числу пар ионов, создаваемых одной а-частицей, найдите количество а-частиц, испускаемых препаратом плутония в 1 секунду.

3.         Зная период полураспада 94Pum (2,44-104 лет) и число испус­каемых источником а-частиц, рассчитайте число имеющихся в источ­нике атомов плутония. Какую площадь займут эти атомы, если их расположить в виде моноатомного слоя?

Контрольные вопросы

1.         Для чего в установках с гейгеровским и сцинтилляционным счетчиками поставлены трубчатые коллиматоры?

2.         Зависят ли результаты измерения пробега а-частиц от влажности воз­духа?

3.         Какая из трех установок позволяет точнее всего измерить пробег а-частиц?

4.         Можно ли измерять пробег Р-частиц такими же методами, как и пробег а-частиц?

5.         Каковы основные закономерности а-распада?

6.         Каким образом можно теоретически установить устойчивость ядра с заданными А и Z по отношению к а-распаду?

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я