МУ-Я-60 (1003905), страница 2
Текст из файла (страница 2)
4 (на рис. 4, а – до взаимодействия).Эффект Комптона – это упругое рассеяние γ - кванта на свободных илислабо связанных атомных электронах, при котором часть энергии и импульсаквант (фотон) передает электрону, покидающему атом (рис. 4, б). В одном акте8комптоновского процесса электрон получает значительную часть энергиикванта, составляющую в среднем 45 % для квантов с энергией 1 МэВ.γабвгРис.
4При атомном фотоэффекте фотон высокой энергии поглощается одним изатомных электронов, обычно из внутренних оболочек, и выбивает его из атома(рис. 4, в). Энергия вылетевшего электрона равна разности энергии фотона иэнергии связи электрона в атоме.Рождение пары электрон-позитрон. В электрическом поле атомного ядрафотон может превратиться в электрон и позитрон: γ → e- + e+ (рис.
4, г). Дляэтого процесса энергия γ - кванта должна превышать суммарную энергию покоя электрона и позитрона, равную примерно 1 МэВ.В отличие от ионизационного торможения заряженных частиц, которые теряют энергию мелкими порциями, γ - квант передает энергию электрону (и позитрону) либо полностью в одном взаимодействии (фотоэффект, рождение пары), либо крупными порциями в комптоновском процессе. γ - Квант может9пролететь значительное расстояние, не испытав ни одного взаимодействия, например, сотни метров в воздухе.
Энергия, переданная квантом электрону, тратится на ионизацию на малой длине пробега.Узкий пучок γ -квантов ослабляется в веществе по экспоненциальному закону Бугера. Излучение с энергией квантов 1 МэВ ослабляется в e = 2,72 раза вслое 15 см воды или 1 см свинца.6. Сцинтилляционный детектор излученийВ некоторых веществах, называемых сцинтилляторами, под действием отдельных быстрых заряженных частиц возникают слабые вспышки света –сцинтилляции (разновидность люминесценции). Например, яркое свечение экрана электронно-лучевой трубки телевизора обусловлено сцинтилляциямибольшого потока быстрых электронов.Сцинтилляционный детектор γ - квантов схематически показан на рис.
5.ФЭУСцДДγФКДАСвет от заряженнойчастицыПУРис. 5Сцинтиллятором (СЦ) служит кристалл NaI с небольшой добавкой таллия раз-мером несколько сантиметров. В результате рассмотренных выше процессов γ квант передает энергию заряженным частицам (электрону, позитрону) в самомсцинтилляторе. Сцинтилляция производится заряженной частицей.Слабая световая вспышка регистрируется чувствительным приемникомсвета - фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). На стеклянный торец трубкиФЭУ с внутренней стороны нанесен тонкий слой вещества с малой работойвыхода электронов, который служит фотокатодом ФК.
Фотоны сцинтилляци-10онной вспышки выбивают из ФК электроны (внешний фотоэффект). Посколькуэтих электронов очень мало, их размножают, прежде чем они достигнут анодаА и создадут в его цепи ток. Для этого между фотокатодом и анодом расположено до 10-15 промежуточных электродов Д, называемых динодами.
Высокоенапряжение (до 1500 В) с помощью делителя на резисторах подается на диноды и анод. Положительный потенциал каждого последующего электрода возрастает примерно на 100 В. Испущенные фотокатодом электроны разгоняютсяэлектрическим полем и фокусируются на первом диноде. Они выбивают из динода вторичные электроны, число которых в несколько раз больше числа падающих электронов (это явление называют вторичной электронной эмиссией).Испущенные первым динодом электроны направляются на второй динод, повторяя процесс размножения, и т.д. В результате количество электронов можетувеличиться в 108 раз.
Лавина электронов достигает анода и создает в его цепизначительный электрический импульс, который регистрируется пересчетнымустройством ПУ. Каждый импульс соответствует одному зарегистрированномуγ - кванту (или быстрой заряженной частице фонового космического излуче-ния).7. Измерение постоянной распада и среднего времени жизниДля различных радионуклидов среднее время жизни (или период полураспада) изменяется в огромных пределах – примерно от микросекунды до 1016лет. Если период полураспада небольшой, то его измеряют по убыванию активности в процессе измерений, согласно формуле (9).Для долгоживущих ядер этот метод неприемлим, поэтому воспользуемсясоотношением (3): A = λ N.
Следовательно, постоянная распада равнаλ = A / N,(12)среднее время жизни (6)τ = 1 / λ = N / A,а период полураспада (7) T = 0,693 τ .(13)11Количество нераспавшихся ядер N изотопа калий-40 найдем, исходя из массы m в кг соли калия (KCl):N = δ NA m / M,(14)где NA = 6,02.1023 моль-1 – число Авогадро (число молекул в одном моле), M =0,075 кг/моль – молярная масса соли, δ = 1,18.10-4 – доля радиоактивного изотопа.Как отмечалось выше ((10), (11)), калий-40 распадается в 89% случаях сиспусканием электрона, а в 11% - путем захвата орбитального электрона. В последнем случае дочернее ядро излучает γ - квант. Каждый вид распада характеризуют своей постоянной распада: λ e – для испускания электрона и λ γ - длязахвата электрона и испускания γ - кванта. Отношение этих постоянных равноλ e / λ γ = 89/11 = 8,1.
Следовательно, λ e = 8,1 λ γ , а полная постоянная распадаравнаλ = λ e + λ γ = 9,1 λ γ .(15)В данной работе сцинтилляционный счетчик регистрирует отдельные γ кванты, испускаемые в процессе электронного захвата. Распады с излучениемэлектрона не регистрируются, так как электроны поглощаются в самой соли и встенках счетчика. Поэтому в данной работе мы измеряем непосредственно характеристики распада, относящиеся только к процессу электронного захвата:гамма-активность A γ (число распадов в секунду с испусканием γ - кванта), соответствующие ей постоянную распада λ γ и среднее время жизни τ γ :λ γ = A γ / N,(16)τ γ = 1 /λ γ(17)среднее время жизниТогда полная постоянная распада может быть найдена по формуле (15).Рассмотрим методику измерения гамма-активности A γ , разработанную автором методических указаний [3].
Для повышения точности измерений препарату калиевой соли массой до нескольких килограмм придана специальная12форма – в виде половины сферического слоя (рис. 6). Центр сцинтилляторасовпадает с центром сферического слоя.ФЭУKClСц60CoКолодецРис. 6Сначала измеряют фоновое излучение, когда радиоактивный препарат находится вдали от детектора, а детектор срабатывает главным образом от высокоэнергичных частиц космического излучения. Хотя это излучение незначительное, но его необходимо учитывать, так как изучаемое излучение калиятакже очень слабое. В результате измерений получают среднюю скорость счетаимпульсов на выходе ФЭУ под действием фонового излучения: nф = Nф / t, гдеNф – число зарегистрированных импульсов за время измерения t.Затем калиевый источник устанавливают в рабочее положение под детектором и аналогичным образом находят скорость счета nк,ф, которая равна суммескоростей счета от калия nк и фона: nк,ф = nк + nф .
Отсюда получают скоростьсчета от излучения калия nк = nк,ф - nф. Величина nк - это среднее число γ - квантов калия, регистрируеых детектором за 1 с. При этом препарат испускает заодну секунду A γ квантов. Отношениеf = nк / A γ(18)13называют коэффициентом регистрации γ - квантов. Коэффициент регистрацииf << 1 по двум основным причинам: 1) кванты, испускаемые во всех направлениях, редко попадают в небольшой сцинтиллятор, 2) некоторые кванты припролете через сцинтиллятор не передают энергию электронам (позитронам),поэтому нет и световой вспышки.Для нахождения численного значения f выполняют вспомогательный опыт- калибровку установки.
В нем используется дополнительный источник γ излучения типа К-3А с изотопом кобальт-60 небольшой известной активностиAкоб. Ядро 6027Co распадается с испусканием электрона и двух γ - квантов сосредней энергией 1,25 Мэв, мало отличающейся от энергии γ - квантов прираспаде калия (рис. 1). Радиоактивный кобальт находится внутри стальнойгерметичной капсулы диаметром 3 см.
Стенки капсулы полностью поглощаютβ - излучение и прозрачны для γ - излучения.При выполнении калибровки источник кобальт-60 опускают в “колодец” –углубление, находящееся в середине толщины калиевого препарата (рис. 6), иизмеряют скорость счета nкоб,к,ф, которая равна сумме скоростей счета кобальта,калия и фона: nкоб,к,ф = n коб + nк + nф . Отсюда получаемn коб = nкоб,к,ф – ( nк + nф ) = nкоб,к,ф - nк,ф.Из результатов измерений находят коэффициент регистрацииf = n коб / (2 Aкоб ).(19)Коэффициент 2 учитывает, что кобальт при одном распаде испускает дваγ -кванта.Детальный анализ условий измерения показывает [3], что коэффициентырегистрации излучения калия (18) и кобальта (19) примерно одинаковые.Теперь из результатов измерений можно найти характеристики распада сиспусканием γ - излучения: активность A γ из формулы (18), постоянную распада λ γ и среднее время жизни τ γ по формулам (16) и (17).8.
Случайные погрешности при измерениях радиоактивности14Встречаются измерения, в которых подсчитывается число событий, происходящих случайно, например, число радиоактивных распадов или вызовов втелефонной сети. Результат подобных измерений выражается целым числом, аметодика оценки случайной погрешности имеет особенности.Пусть при измерении радиоактивности счетчик зарегистрировал Ni частицза время t, малое по сравнению с периодом полураспада. Повторяя измерения втех же условиях, получим различные значения Ni: N1, N2, … Nk, изменяющиесяслучайным образом, что отражает вероятностный характер процесса распада.Из результатов большого числа k измерений найдем среднее число зарегистрированных частиц за время t < N> =∑Ni /k.Радиоактивный распад подчиняется определенным статистическим закономерностям – т.н.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
