Задача 10. Эффект Комптона. Метод фильтров. (1121303), страница 3
Текст из файла (страница 3)
ФЭУ - линейгденый прибор: амплитуда электрического сигнала с ФЭУ пропорциональна интенсивности световой вспышки. Время пролетаэлектронов в ФЭУ из-за разброса их начальных скоростей и различия в длинах их траекторий, испытывает значительные откло-9-8нения от среднего. Импульс с ФЭУ растянут до 10 – 10 с, т.е.ФЭУ обладает конечным временем разрешения. Сцинтилляционная вспышка, попав на катод ФЭУ, приводит к появлению наего аноде импульса тока, который может быть зарегистрирован иизмерен при помощи специальной электронной аппаратуры.Число сцинтилляционных вспышек в сцинтилляторе, а следовательно, число импульсов тока в ФЭУ, пропорционально числупадающих на него- квантов ( интенсивности потока-γγ15МЕТОД ФИЛЬТРОВквантов ). Таким образом, подсчитывая число импульсов с детектора ( сцинтилляционного счетчика ) можно определить интенсивность пучка- лучей.
Однако сцинтилляционный счет-γчик можно использовать и в качестве сцинтилляционногоγ-спектрометра. Действительно, поскольку амплитуда импульсатока в случае линейного режима работы ФЭУ пропорциональнаинтенсивности сцинтилляции, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии- кванта, поглощенного в веществе фос-γфора, то, анализируя с помощью специальной электронной аппаратуры амплитуду импульсов с детектора, можно получитьпредставление об энергии- квантов в пучке, т.е.
решать за-γγВведениеКак уже отмечалось выше изучение эффекта Комптонабудет в основном состоять в проверке соотношения (10)∆λ = λ − λ 0 =h(1 − cos ϕ ) = Λ(1 − cos ϕ ), (10)m 0cдля чего необходимо измерить длину волнырассеяния(λ 0 )и после рассеяния(λ )γ- излучения дона некоторый угол- спектроскопии.
Именно в таком качестве используетсяϕ . В предлагаемом варианте задачи для этой цели использует-сцинтилляционный счетчик в варианте лабораторной работы,использующем сцинтилляционный- спектрометр.ся метод фильтров в сочетании со сцинтилляционным счетчикоми схемой совпадений. При прохождении через вещество-дачиγγкванты частично поглощаются и рассеиваются. Интенсивностьпучка прошедшего через вещество определяется соотношением−µ xЛ И Т Е Р А Т У Р А.I = I0 e,(11)согласно которому интенсивность (I ) γ - квантов, прошедшихслой вещества толщиной x , ослабляется по экспоненциальному закону по сравнению с интенсивностью падающего излучения1. Шпольский Э.В. Атомная физика.
- М.; Наука, 1974, т., 1,с.125-126.2. Месси Г., Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. - М.:ИЛ.,1958.3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. - М.: Наука, 1967.4. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основыэкспериментальных методов ядерной физики. Атомиздат,Москва, 1970.5.α −, β −, γ − -спектроскопия. Сборник статей под ред.К.Зигбана. - М.: Атомиздат, 1958.6. Чечик Н.О., Файнштейн С.М. Лифшиц Т.М. Электронныеумножители. - М.: Гостехиздат, 1957.(I0 ) .Тот факт, что линейный коэффициент поглощениязависит от энергииγ- квантов, т.е.
от их длин волн, использу-ется для определения последних. В данном случае длины волнλ находят из эмпирически полученного графика, связывающегоµ и λ . Определение же коэффициентов поглощения µ и со-ставляет экспериментальную часть работы. Для нахожденияλ0необходимо поместить фильтры между источником излуче-ния и детектором перед коллимационным отверстием, измеритьинтенсивность излучения без фильтра и с фильтрами. Для определения длины волны рассеянного излучения16µ17λтакже сле-дует измерить интенсивностиγ- излучения с фильтром и безфильтра при этом фильтры должны помещаться между рассеивателем ( установленном на 1-ом фотоумножителе ) и вторымдетектором. В обоих случаях для определения величиныпользуются соотношением (11), а для определениячески полученным графиком.λµ- эмпири-1.
Схема опыта и методика эксперимента.Использование стильбена как в качестве рассеивателя(благодаря тому, что он состоит из легких элементов ), так и вкачестве сцинтиллятора ( с малым временем высвечивания )позволяет объединить в сцинтилляционном детекторе две функции: рассеяние- квантов и их регистрацию. Основными узла-γми установки будут источникγ- квантов, 1-ый неподвижныйдетектор- рассеиватель, 2-ой подвижный детектор, регистрирующий рассеянные фотоны. Для измеренияλ0иλфильтрыпомещают между источником и 1-ым детектором и между 1-ым и2-ым детекторами соответственно. Хотя в основе нашей экспериментальной установки лежит подобная схема, однако вряд лиудалось бы наблюдать эффект Комптона без предъявления определенных требований к источнику, детекторам и геометрииэксперимента и без существенных дополнений к вышепредложенной схеме эксперимента.
Ранее указывалось, что при прохождении- квантов через вещество могут иметь место различ-γные процессы их взаимодействия с веществом.На рис.3 изображены возможные привзаимодействияγEγ < 3 МэВ процессы- квантов с веществом: 1 - Комптон - эффект;2 - рэлеевское рассеяние ( когерентное рассеяние )γ -квантовна связанных электронах, ответственное за по явление первоначальной длины волны в рассеянном излучении; 3 - фотоэффект;4 - эффект рождения электрон-позитронных пар.Рис.3. Возможные процессы взаимодействияс веществом приEγ < 3 Мэв.γ -квантовИз этого в общем неполного перечня явлений видно, что 2-ойдетектор будет фиксировать суммарный эффект, в котором интересующий нас эффект Комптона никак не выделен.
Но, допустим, нам удалось каким-то образом свести к нулю эффекты 2, 3,4. Гарантирует ли предложенная схема наблюдение эффектаКомптона? По-видимому, нет, поскольку с увеличением угларассеянияинтенсивность ( число частиц в единицу времени )ϕрассеянныхγ- квантов будет значительно уменьшаться и приопределенных значенияхϕинтенсивность станет сравнимой скосмическим фоном. Т.е. возникает проблема выделения полезного сигнала на фоне шума.
Но решение этой проблемы еще неисключает всех «неприятностей». Дело в том, что предложенныйметод фильтров весьма чувствителен к геометрии эксперимента. Это означает, например, что необходимо правильно подобрать толщину фильтров, учесть конечность размеров телесногоугла рассеяния- квантов и т.д.
Предлагаемые ниже условия иγсхема эксперимента позволяют избежать или существенноуменьшить перечисленные явления (см.рис.4).Источник- квантов подбирается так, чтобы энергия ихγлежала в пределах 0,4 МэВ - 1 МэВ. Как уже указывалось выше,в качестве рассеивателя используется органический кристалл(стильбен) т.е.- кванты взаимодействуют в основном с лег-γ1819кими атомами углерода и водорода.
Кристалл второго детектораизготовлен из вещества (NaI), поглощающего с большой эффективностью- кванты. Сигналы с детекторов подаются на схе-γдетекторе и попадании возникающих при этом в 1-ом детектореквантов рентгеновского характеристического излучения во 2-ойдетектор. Отметим, что схема совпадений исключает регистрацию когерентного рассеяния на угол- квантов.ϕγПрименение метода фильтров предполагает измерениеинтенсивности излучения до и после прохождения фильтра известной толщины, изготовленного из определенного материала,λнапример, меди.
Определение длины волныпо экспериментальным значениям коэффициента поглощенияпроизводит-µся по прилагаемому графику. Следует помнить, что обычно награфиках и в таблицах приводятся так называемые -«массовыекоэффициенты»τ =µ ρгдеρ- плотность веществафильтра.Отметим, что при измерении длины волныλ0нерассе-янного пучка, очевидно, схема совпадений не нужна. При определении ( рассеянных- квантов ) используется схема совпа-γРис.4.
Блок-схема установки для наблюденияэффекта Комптона.му совпадений и затем на пересчетное устройство. Схема совпадений выделяет лишь те сигналы, которые «одновременно» (впределах времени разрешения установки ) приходят на ее вход.Нетрудно догадаться, что одно из основных назначенийсхемы совпадений состоит в отделении полезного сигнала отсигнала фона. Испытавший комптоновское рассеяние- квантγпройдет расстояние между детекторами практически мгновенно,и схема совпадений его пропустит, «отсекая» фон.
В действительности, при использовании схемы совпадений фон все жеследует учитывать. Он возникает из-за «одновременного» попадания двух разных частиц в оба детектора. Например, при «од- кванта источника в 1-ый детекторновременном» попаданииγи космической частицы во 2-ой возникает импульс случайногосовпадения. Схема совпадений сработает и при «одновременном» поглощении- кванта вследствие фотоэффекта в 1-омдений, при этом, как отмечалось, необходимо учитывать фон (случайные совпадения ). Очевидно истинная интенсивность будетгдеIп- полнаяI = Iп − Iфинтенсивность, Iф- интенсивность фона -число случайных совпадений в единицу времени, для определения которого необходимо поставить поглотитель ( экран из свинца ) на пути- квантов ко 2-му детектору. При этом в 1-ый де-γтектор будут попадатьγ- кванты источника, а во 2-ой - толькокосмические частицы.
Следует, однако учесть, что всегда какаято часть излучения от источника проникает через любую защиту,даже свинцовую, поэтому измеряемая схемой совпадений величина фона равнаI ф = I1' + I 2'γ20(12)21гдеI1' - интенсивность случайных совпадений, а I 2'- интенсив-ность совпадений отγI 2' , а потому и I фбудут зависеть от угла рассеяния, поэтомуопределять- квантов, прошедших защиту. Ясно, чтоI ф следует при условиях наименьшего I 2' .Метод измерения энергииγ- квантов с помощьюфильтров относится к категории точных. Однако, это справедливо только в том случае, когда соблюдаются специальные условия ( геометрия установки, защита детектора, толщина фильтрови др. ), позволяющие уменьшить ошибки, связанные с конечными размерами пучка- излучения.
В принципе, в случае измерения энергииγγ- квантов в установке, аналогичной используе-мой в данной лабораторной работе, ошибка складывается из:а)статистической ошибки, определяемой количествомзарегистрированных(1Iсобытий(I)ипропорциональной);)б)ошибки, связанной с геометрией опыта (установки);в)ошибки, за счет чувствительности детектирующегоустройства.Расчет показывает, что суммарная ошибка в определении энергии-квантов в условиях нашей установки составляетγ15 - 20%.2. Аппаратура и порядок ее включенияУстановка по измерению комптоновского смещения (10)состоит из источника- квантов, детектора ( сцинтиллятора +γФЭУ ), блока питания, схемы совпадения и пересчетного устройства.
Общий вид установки приведен на рисунке 5.Источником-квантов служит, как отмечалось выше,γ137радиоактивный препаратCs . Ампула с радиоактивным веществом находится в свинцовой защите I и ее можно перемещать при помощи специального штока 1, выведенного наружу.22Рис.5. Общий вид установки .В рабочем положении ампула находится на уровне коллимационного отверстия 2 (обеспечивая максимум интенсивности пучка) которое может быть закрыто свинцовыми кирпичами3.Детекторы – 1-ый детектор состоит из рассеивателястильбена II (фосфора), в котором-кванты вызывают вспыш-γку люминесценции, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 4,преобразующего вспышку в импульс электрического тока. 2-ойдетектор состоит из кристалла сцинтиллятора (NaI) и ФЭУ III,смонтированных как и 1-ый детектор вместе и закрытых защитным кожухом 5. В одном блоке с детектором III смонтирован катодный повторитель IV.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
