Дослідження космічного випромінювання – МАНЛаб


Дослідження космічного випромінювання

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

Завдання роботи:

Дослідити космічне випромінювання за напрямом та енергетичним спектром.

Обладнання:

Установка для вивчення космічних променів ФПК-01.

Теоретична частина

Рис. 1. Установка для вивчення космічних променів

Космічні промені – це потоки атомних ядер з високими енергіями, що приходять на Землю з просторів Всесвіту. Крім того, до космічних променів прийнято відносити також вторинне випромінювання, що виникає внаслідок взаємодії первинного випромінювання з ядрами атомів атмосфери Землі.

Первинні космічні промені поза атмосферою Землі на 90% складаються з протонів, на 9% – з ядер гелію (альфа-частинок) та на 1% – з електронів.

 На висотах нижче 19,6 км космічне випромінювання практично повністю має вторинний характер. У складі вторинного космічного випромінювання, що досягає поверхні Землі, можна виділити дві різні за своєю проникною здатністю компоненти. До першої компоненти належать частинки, що повністю поглинаються в шарі свинцю товщиною 10 см. Ця компонента отримала назву м’якого випромінювання.

Решта частинок, інтенсивність яких залишається сталою після проходження 10-сантиметрового шару свинцю, називається жорсткою компонентою.

До складу м’якої компоненти входять вільні електрони, позитрони та гама-кванти, а до складу жорсткої – мюони.

Мюон – це нестійка елементарна частинка з негативним електричним зарядом і спіном 1/2. Разом з електроном, тау-лептоном і нейтрино класифікується як частина лептонного сімейства ферміонів. Як і всі фундаментальні частинки, мюон має античастку із зарядом протилежного знаку, але з рівною масою і спіном: антимюон.

З історичних причин мюони іноді згадуються як мю-мезони, хоча вони не є мезонами згідно з сучасними уявленнями фізики елементарних частинок. Маса мюона у 207 разів більша за масу електрона, тож мюон можна розглядати як надзвичайно важкий електрон. Мюони позначаються як μ, антимюони як μ+.

Мюони виникають у результаті розпаду заряджених піонів. Піони утворюються у верхніх шарах атмосфери первинними космічними променями і мають дуже короткий час розпаду – декілька наносекунд. Час життя мюонів теж малий – 2,2 мікросекунди. Проте мюони космічних променів мають швидкості, близькі до швидкості світла, так що через ефект уповільнення часу спеціальної теорії відносності їх легко детектувати біля поверхні Землі.

Установка ФПК-01 дає змогу реєструвати космічне випромінювання та здійснювати його розподіл за енергіями, зокрема відокремлювати його м’яку та жорстку компоненти. Вона складається з об’єкту досліджень та вимірювального пристрою. Об’єкт досліджень складається з двох лічильників Гейгера-Мюллера, розташованих на певній відстані один від одного, та має назву «космічний телескоп». За допомогою поворотного пристрою телескоп може нахилятися на кут ± 90°. Установка реєструє тільки ті частинки, які пролітають крізь обидва лічильника. Реєстрація відбувається за допомогою вимірювального пристрою, що має схему збігу. Конструкція телескопу дає можливість при його вертикальному розташуванні вводити між лічильниками фільтрувальні свинцеві пластини, завдяки яким відбувається енергетична селекція (частинки з більш високою енергією проходять крізь обидва лічильника, а решту поглинає свинцевий фільтр певної товщини).

Середнє арифметичне значення кількості зареєстрованих частинок за певний проміжок часу визначається за формулою:

(1)

де Ni – кількість зареєстрованих частинок за кожним і-тим виміром;

n – кількість вимірів.

Інтенсивність мюонного випромінювання визначається за формулою:

(2)

де t – час вимірювання.

Хід роботи

  1. Підключіть мережевий шнур вимірювального пристрою до мережі 220 В, 50 Гц та увімкніть його за допомогою вмикача «Сеть» на задній панелі.
  2. Дайте установці прогрітися протягом 5 хвилин.
  3. Натисніть кнопку «Установка» та кнопками «+» та «-» встановіть необхідний час вимірювань. Рекомендований час вимірювань – 100 с.
  4. Натисніть кнопку «Пуск/Стоп», після чого мають з’явитися й наростати показання кількості частинок та секунд. Після закінчення встановленого проміжку часу вимірювання автоматично припиняться. На індикаторі має зафіксуватися значення часу вимірювання і деяке число, що відповідає кількості часток. Проведіть не менше трьох вимірювань. Результати вимірювань заносьте до таблиці 1.
  5. Проведіть вимірювання за п. 4 для різних кутів нахилу установки. Результати вимірювань заносьте до таблиці 1.
  6. Встановіть установку для роботи з блоком фільтрів вертикально.
  7. Змінюючи товщину фільтра шляхом уведення свинцевих пластин, виконайте серію вимірювань за п. 4. Результати вимірювань заносьте до таблиці 2. Товщина однієї пластини становить 2 см, а товщина фільтру визначається як добуток товщини однієї пластини та їхньої кількості.
  8. Після закінчення роботи натисніть кнопку «Сброс», після чого вимкніть живлення установки кнопкою «Сеть» на задній панелі вимірювального пристрою та відключіть мережевий шнур від мережі 220 В, 50 Гц.
  9. Під час проведення вимірювань слід дотримуватись перерв у роботі установки. Після кожних 2 годин безперервної роботи установки необхідно робити 15-хвилинну перерву.

Аналіз даних

  1. За формулою (1) обчисліть середнє значення кількості зареєстрованих частинок та занесіть результати обчислень до відповідних колонок таблиць 1 і 2.
  2. За формулою (2) обчисліть значення інтенсивності мюонних потоків та занесіть результати обчислень до відповідних колонок таблиць 1 і 2.
  3. Побудуйте графіки залежності інтенсивності мюонного потоку від кута нахилу установки і товщини свинцевого фільтра: J = f(φ) та J = f(d).
  4. Зробіть висновки щодо розподілу потоків мюонів за кутом нахилу до горизонту та за енергією частинок.

Таблиці результатів

Таблиця 1

 

Кут нахилу φ, ° Номер виміру Nсер t, с J, с-1
1 2 3 4
0
15
30
45
60
75
90

 

Таблиця 2

 

Товщина фільтру, см Номер виміру Nсер t, с J, с-1
1 2 3 4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18