Вивчення енергетичного спектру електронів – МАНЛаб


Вивчення енергетичного спектру електронів

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з будовою та принципом роботи установки ФПК-05 для вивчення енергетичного спектру електронів.
  2. Дослідити енергетичний спектр електронів за допомогою відео експерименту, проведеного на установці ФПК-05 з використанням радіоактивного джерела.

Обладнання:

Установка ФПК-05, ПК.

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд установки ФПК-05

Рис. 2. Об’єкт дослідження установки ФПК-05

Іонізуюче випромінювання – це випромінювання, взаємодія якого з середовищем призводить до утворення електричних зарядів (іонів) різних знаків. Джерелом іонізуючого випромінювання є природні та штучні радіоактивні речовини й елементи (уран, радій, цезій, стронцій та ін.). Джерела іонізуючого випромінювання широко використовуються в атомній енергетиці, медицині (для діагностики та лікування) та в різних галузях промисловості (для дефектоскопії металів, контролю якості зварних з’єднань, визначення рівня агресивних середовищ у замкнутих об’ємах, боротьби з розрядами статичної електрики тощо).

Іонізуюче випромінювання поділяють на електромагнітне (фотонне) та корпускулярне. До останнього належать випромінювання, що складаються з потоку частинок, маса спокою яких не дорівнює нулю (альфа- і бета-частинок, протонів, нейтронів та ін.). До електромагнітного випромінювання належать гамма- та рентгенівські випромінювання.

Альфа-випромінювання – це потік позитивно заряджених частинок (ядер атомів гелію), що рухаються зі швидкістю 20 000 км/с.

Бета-випромінювання – це потік електронів та позитронів, швидкість яких наближається до швидкості світла.

Гамма-випромінювання – це короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке за своїми властивостями подібне до рентгенівського, однак має значно більшу швидкість (приблизно дорівнює швидкості світла) та енергію.

Для спостереження і реєстрації елементарних частинок використовують дві групи пристроїв: лічильники іонізуючих частинок і трекові камери.

Лічильники іонізуючих частинок, зокрема спінтарископ та лічильник Гейгера-Мюллера дають змогу підрахувати число частинок, які надходять до реєструвального пристрою.

Трекові камери, зокрема камера Вільсона, бульбашкова та дифузійна камери, дають можливість спостерігати сліди (треки), що залишають заряджені частинки, пролітаючи крізь їхній робочий об’єм, та визначити, які саме ці частинки.

У лабораторній роботі пропонується ознайомитися з будовою та принципом дії установки ФПК-05 для вивчення енергетичного спектру електронів, зчитати результати вимірювань з відео експерименту, проведеного на установці ФПК-05 з використанням радіоактивного джерела, та проаналізувати отримані дані.

Установка ФПК-03 (рис. 1) складається з об’єкту дослідження та вимірювального пристрою, з’єднаних між собою кабелем. Основним вузлом об’єкту дослідження (рис. 2) є формувач (1), у корпусі якого розміщені підсилювально-нормувальний пристрій для перетворення сигналів з лічильників іонізуючих випромінювань на нормовані імпульси для роботи вимірювального пристрою та високовольтний перетворювач для живлення лічильників. На боковій стінці корпусу закріплений роз’єм для під’єднання лічильника випромінювання. Лічильник випромінювання (2) має віконце (3), що може зачинятися за допомогою шторки. Тримач радіоактивного зразка (4) може пересуватися напрямними стрижнями (5). Для визначення відстані від зразка до віконця лічильника призначена лінійка (6).

Вимірювальний пристрій призначений для підрахунку кількості частинок, що надходять до лічильника за певний регульований проміжок часу.

Отже, установка дає змогу здійснити підрахунок кількості іонізуючих частинок, що надходять від радіоактивного джерела та з навколишнього середовища, за певний проміжок часу при різній товщині фільтру а також за його відсутності.

Щоб здійснити селекцію за бета-випромінюванням, необхідно зробити вимірювання за наявності радіоактивного джерела та за його відсутності. За відсутності радіоактивного джерела установка відтворить кількість частинок, що надходить до лічильника з навколишнього середовища (природний радіаційний фон), яку під час обробки результатів слід віднімати від загальної кількості частинок.

Хід роботи

  1. Підключіть мережевий шнур вимірювального пристрою до мережі та увімкніть установку вмикачем «Сеть» на задній панелі пристрою. При цьому на індикаторі має встановитися значення «time: 10 s» та режим установки часу «set».
  2. Дайте установці прогрітися протягом 5 хв.
  3. Натисніть кнопку «Сброс»; при цьому в усіх розрядах мають відтворюватися нулі.
  4. Тримач зразка зніміть або встановіть на максимальній відстані від лічильника.
  5. Відкиньте всі фільтри.
  6. Ослабте гвинти захисної шторки лічильника, відкиньте її, відкривши робочу поверхню лічильника (надалі дотримуйтесь обережності, щоб не пошкодити цієї поверхні), та закріпіть у такому положенні за допомогою гвинта.
  7. Натисніть кнопку «Пуск/Стоп», після чого мають з’явитися та наростати показання кількості частинок та секунд. Після проходження встановленого часу (10 секунд) вимірювання має автоматично припинитися. На індикаторі має зафіксуватися значення «10 s» та деяке число, що відповідає кількості підрахованих частинок, які надходять з навколишнього середовища. Занесіть це число до таблиці та натисніть кнопку «Сброс».
  8. Натисніть кнопку «Установка» та за допомогою кнопок «+» та «-» встановіть час замірів 0,5 хв («30 s»).
  9. Натисніть кнопку «Пуск» та дочекайтеся закінчення підрахунку частинок.
  10. Відкрийте відеоматеріал експерименту, проведеного на установці ФПК-05 з використанням радіоактивного джерела за посиланням: https://youtu.be/-ngYanBFGLU Переглядаючи його, заповніть таблицю результатів.

Аналіз даних

  1. Занесіть дані таблиці результатів до Excel.
  2. Розрахуйте кількість бета-частинок шляхом віднімання від значень за наявності радіоактивного джерела значення за його відсутності.
  3. Побудуйте графік залежності кількості бета-частинок, що долітають до лічильника, від товщини фільтра.
  4. Побудуйте лінію тренда, задавши параметри: «Експоненціальна», «Показати рівняння на діаграмі», «Помістити на діаграму величину достовірності апроксимації R2».
  5. Дійдіть висновків щодо закономірності розподілу бета-частинок, що випромінюються досліджуваним радіоактивним джерелом, за енергіями.

 

Таблиця результатів

Товщина фільтру, мм Кількість частинок Кількість бета-частинок
З радіоактивним джерелом
0
0,5
1
2
4
6
Без радіоактивного джерела
0