Задача 10. Эффект Комптона. Метод фильтров. (Задачи атомного практикума), страница 2

Интен-K - электронов с ядром. Сечение фотоэффекта быстро,Z 4 − Z 5 , возрастает с увеличением атомного номераэлемента; кроме того, оно падает с ростом энергиикак(hω )−3 при hω< 0,2 МэВ или какγγ- лучей через вещест-- лучей(hω )−1 при hω>0,5 МэВ.2Образование пары - процесс превращения фотона в пару изэлектрона и позитрона, происходящий при столкновении фотонас какой-либо заряженной частицей.89сивность пучкаγ- квантов после прохождения слоя вещества3толщиной х определяется соотношением. )I = I0 e−n σ x= I0 e−µ x,(3)I 0 - интенсивность падающего пучка ( в точке х = = 0 ); n 3число атомов в 1 см , а величинаµ = nσ(4)гденазывается линейным коэффициентом поглощения,сечение поглощения- квантов, равно:γσ- полноеσ = σ ф + σ к + σ р + σ п + σ фргде(5)σ ф , σ к , σ р , σ п , σ фр - сечения фотоэффекта, компто-новского рассеяния, рэлеевского рассеяния, образования пар ифоторасщепления ядер, соответственно.

Поскольку каждое изслагаемых в (5), как указывалось выше, сложным образом зависит от энергииγ- лучей и природы вещества (полное сечение взаимодействияµследовательно, иγZ), тоσ-- квантов с веществом, а- линейный коэффициент поглощениясложным образом зависят от природы вещества и от длин волнрентгеновских лучей. При этом относительная роль отдельныхслагаемых в (5) в зависимости от энергии- лучей и рода ве-γZщества () может сильно меняться. Так, в свинце фотоэффект является доминирующим процессом вплоть до энергий 500кэВ, что объясняется большим значениемзависимостью от3ZZhωгий 0,5 МэВ << 5 МэВ определяющим процессом являетсяэффект Комптона.

Начиная с 5 МэВ, в свинце преобладает процесс рождения пар (его сечение ~шой точностью можно положитьµ = σ n = σ к n + σ ф n + σ п n = µк + µф + µпгдеµ к , µф , µп -эффекта Комптона, фотоэффекта, образования пар, соответственно ( рэлеевское рассеяние вносит незначительный вклад вослабление- лучей в свинце ). На рис.2 приведены кривыеγзависимости линейных коэффициентов поглощения указанныхпроцессов и полного коэффициента ослабления от энергии-γлучей для свинца.Из рисунка видно, что при малыхпоглощениеhω≤ hω ≤дающим.

В области энергий 0,5 МэВ4 МэВ наиболеесущественным является эффект Комптона.Из вышеизложенного следует, что экспериментальноэффект Комптона проявляется наиболее отчетливо, если использовать:а) в качестве рассеивателя легкие элементы ;б)- лучи с энергией от нескольких сот килоэлектрон-γвольт до 2 - 3 МэВ.- квантов спра-ведлив для вещества не очень больших толщин, когда мала вероятность многократного взаимодействия.10hω(полное сечение) быстро уменьшается при увеличении, таккак быстро уменьшается вероятность фотоэффекта. При энергии 3 - 4 МэВ оно минимально, а затем при больших энергияхпоглощение вновь увеличивается вследствие процесса рождения пар, который с ростом энергии квантов становится преобла-свинца и сильнойγ(6)линейные коэффициенты ослабления длясечения фотоэффекта.

В интервале энер-Отметим, что этот закон ослабления пучкаZ 2 ). Таким образом, с боль-11137используют радиоактивный изотопCs, в качестве рассеивателя - органический кристалл стильбен, а для детектированияизлучения применяется сцинтилляционный счетчик.Радиоактивный источник137Cs испускаетγ- лучи сэнергией 662 кэВ, т.е. в оптимальном диапазоне для наблюдения эффекта Комптона, и рентгеновское излучение ( ~ 30 кэВ;оно поглощается в веществе оболочки источника ).Рассеиватель - стильбен - органическое вещество, со-Zстоящее из атомов углерода и водорода (малые).

Атомы этихэлементов имеют малые энергии ионизации и при энергиях фотонов ~ 0,6 - 0,7 МэВ их электроны можно рассматривать как- лучи будут рассеиваться главным образомсвободные, т.е.γна «свободных» электронах ( эффект Комптона будет доминировать над когерентным рассеянием ).Сцинтилляционный- счетчик предназначен дляγизмерения интенсивности потокаРис. 2. Зависимость линейного коэффициентапоглощения- лучей для свинца.γспектрального состава3.

Методика эксперимента.Изучение эффекта Комптона будет в основном состоятьв проверке соотношения (1). Поэтому эксперимент следует поставить в соответствии со схемой, изображенной на рис.1. Дляосуществления такого эксперимента необходимо иметь:а)источник монохроматических- лучей, хорошо кол-γлимированный;б)детектирующее устройство, позволяющее измерятьдлину волны первичного и рассеянного излучений;в)вещество-рассеиватель, на электронах которого происходит комптоновское рассеяние.В классической схеме опыта, осуществленной Комптоном, использовалась рентгеновская молибденовая трубка ( источник ), графит ( рассеиватель ) и рентгеновский спектрографна основе ионизационной камеры.

В настоящее время эта схемапредставляется достаточно громоздкой. В настоящей задаче дляисследования эффекта Комптона применяется метод сцинтил- спектрометра. В качестве источника-лучейляционногоγγ12γγ- квантов и исследования- излучения. Основными его элемен-тами являются рабочее вещество - сцинтиллятор, в которомγ-кванты вызывают вспышку люминесценции, и фотоэлектронныйумножитель ( ФЭУ ), преобразующий вспышку в импульс электрического тока.При прохождении- квантов через вещество из-заγвзаимодействия их с атомами сцинтиллятора при некоторыхпроцессах возникают быстрые электроны, ядра отдачи и т.

д.Эти «вторичные» частицы, двигаясь в веществе, теряют своюэнергию, расходуя ее на ионизацию и возбуждение атомов среды. Излучение возбужденных атомов может поглощаться в томже веществе. В люминесцирующих средах значительная частьего выходит из среды - излучается веществом в виде световойвспышки. Среди характеристик сцинтиллятора основными являются световой выход и время высвечивания.

Световой выход это отношение энергии световой вспышки к энергии, теряемой- квантом в сцинтилляторе. Для обычно применяемых сцин-γтилляторов он колеблется от ~1 до 25%. Однако, этого еще недостаточно, чтобы использовать вещество в качестве сцинтил-13лятора. Для того, чтобы зарегистрировать вспышку света, необходимо, чтобы световые кванты вышли из вещества. Отношениесветовой энергии, вышедшей из вещества, к энергии, потерянной в нем- квантами, называют техническим выходом. Тех-γнический выход зависит от прозрачности вещества, его толщины, состояния поверхности и т.д. В большинстве случаев интенсивность вспышки[4]:Iс течением времени t изменяется по законуI = I 0eτ− t /τ,(7)где- время высвечивания, т.е. время, в течение которого инраз.тенсивность вспышки уменьшается вПри использовании сцинтиллятора в счетчике к немупредъявляют следующие требования:а)световой выход должен быть достаточно велик;б)сцинтиллятор должен быть прозрачным для света собственной люминесценции;в)спектр люминесценции сцинтиллятора должен лежатьв области высокой чувствительности фотокатода ФЭУ;г)сцинтиллятор должен обладать малым временем высвечивания, что необходимо для создания малоинерционногосцинтилляционного счетчика.В таблице приведены значения основных характеристиксцинтилляторов, наиболее часто используемых в качестве рабочего вещества в сцинтилляционных- детекторах.eγТаблицаОсновные характеристикисцинтилляторовСцинтилляторПлотностьвеществасцинтиллятора,СветовойвыходВремявысвечивания,сек.1,162,8(3-7) 10-93,678,0г/смСтильбенC14H12NaI3142,5 10-7Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - электровакумный прибор, в котором фототок, получаемый при освещениикатода этого прибора, усиливается в результате вторичной электронной эмиссии [6].

ФЭУ состоит из фотокатода, фокусирующего электрода, нескольких эмиттеров и анода. Световые кванты,попадающие на фотокатод, выбивают фотоэлектроны. Потокфотоэлектронов с катода попадает на первый эмиттер. Усиленный в n раз в результате вторичной электронной эмиссии, токвторичных электронов попадает на второй эмиттер; затем, усиленный еще в n раз, на третий эмиттер и т.д. Конфигурацияэлектрического поля, необходимая для того, чтобы электроны содного эмиттера попадали на другой, обеспечивается соответствующей формой последних, а необходимая энергия вторичныхэлектронов - соответствующим потенциалом на эмиттерах. Споследнего, N-го эмиттера снимается ток, усиленный вт.е. коэффициент усиления k умножителя равенnNраз,k = Q nN ,где(8)Q - численный коэффициент ~1.Этот поток электронов улавливается анодом. Сильная зависимость коэффициента усиления k фотоумножителя от ускоряющего напряжения обуславливает необходимость хорошейстабилизации его источника питания.k ≅θ U N,θ − const ,(9)а U - ускоряющее напряжение.