Audytor.ru

Теплоснабжение "Аудитор"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Презентация по физике на тему; Экспериментальные методы исследования частиц

Презентация по физике на тему: «Экспериментальные методы исследования частиц» Ученика 9 класса гбоу сош № 1465 Эйстрайх дмитрия учитель физики: круглова л.ю .

Методы исследования частиц : Счётчик Гейгера Сцинтилляционные счётчики Камера Вильсона Пузырьковая камера Толстослойные фотоэмульсии

Счетчик Гейгера представляет собой несложный прибор для регистрации излучения. Он способен определять различные виды радиоактивного излучения (альфа, бета, гамма), но наиболее чувствителен к γ -излучению и β -частицам . Конструкция проста: трубка счетчика Гейгера-Мюллера заполнена газом и имеет два электрода, к которым приложено высокое напряжение. При попадании в трубку ионизирующей частицы между электродами на некоторое время возникает проводящий канал. Возникший в результате ток детектируется электронным усилителем . Изобретён в 1908 году Х . Гейгером и Э . Резерфордом , позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. Счетчики Гейгера-Мюллера — самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения.

Схема включения счётчика Гейгера Разность потенциалов приложена (V) между стенками и центральным электродом через сопротивление R, зашунтированное конденсатором C1 . Работа счетчика основана на ударной ионизации. γ — кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Принципиальная схема Счётчик был изобретён немецким физиком Кальманом Хартмутом Паулем в 1947 году. Сцинтилляционный счётчик — прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, γ -квантов , мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Применение счётчиков, их достоинства и недостатки Достоинства сцинтилляционного счётчика : высокая эффективность регистрации различных частиц; быстродействие ; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам сцинтилляционные счётчики широко применяется в ядерной физике (например, для измерения времени жизни возбуждённых состояний ядер , измерение сечения деления, регистрация осколков деления газовыми сцинтилляционными счётчиками), физике элементарных частиц и космических лучей (например, экспериментальное обнаружение нейтрино), в промышленности ( γ -дефектоскопия , радиационный контроль), дозиметрии (измерение потоков γ -излучений , испускаемых человеком и другими живыми организмами), радиометрии, геологии, медицине и т. д . Недостатки сцинтилляционного счётчика : малая чувствительность к частицам низких энергий (1 кэВ), невысокая разрешающая способность по энергии.

Камера Вильсона (она же туманная камера ) — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).

Читайте так же:
Счетчик расхода жидкости характеристики

Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно) . Для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости) камеру помещают в магнитное поле, искривляющее треки. Камера Вильсона. Емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части заполнена насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся пересыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Общий вид камеры Вильсона

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения, т.е. действие детектора основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Изобретена А . Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г .) Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать ( образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

Схема водородной пузырьковой камеры : корпус камеры заполнен жидким водородом ( ); расширение производится с помощью поршня П; освещение камеры на просвет осуществляется импульсным источником света Л через стеклянные иллюминаторы И и конденсатор К; свет, рассеянный пузырьками, фиксируется с помощью фотографических объективов и на фотопленках и .

Фотография некоторого процесса превращения элементарных частиц , сделанная с помощью пузырьковой камеры.

Метод толстослойных фотоэмульсий.

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л . В. Мысовским и А. П. Ждановым в 1958 году. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При появлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зёрен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими, но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсии состоит в том, что время экспозиции может быть сколько угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсии, увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

Читайте так же:
Как можно сделать чтобы стоял счетчик

Что такое дозиметр

Иногда так не совсем точно называют радиометр — прибор для измерения активности радионуклида в источнике или образце (в объеме жидкости, газа, аэрозоля, на загрязненных поверхностях) или плотности потока ионизирующих излучений для проверки на радиоактивность подозрительных предметов и оценки радиационной обстановки в данном месте в данный момент. Измерение вышеописанных величин называется радиометрией.
Рентгенометр — разновидность радиометра для измерения мощности гамма-излучения.

Бытовые приборы, как правило, комбинированные, имеют оба режима работы с переключением «дозиметр»-«радиометр», световую и (или) звуковую сигнализацию и дисплей для отсчёта измерений. Их масса от 400 до нескольких десятков граммов, размер позволяет положить их в карман. Некоторые современные модели можно надеть на руку, как часы. Время непрерывной работы от одной батареи от нескольких суток до нескольких месяцев.

Диапазон измерения бытовых радиометров, как правило, от 10 микрорентген в час до 9.999 миллирентген в час (0.1-99.99 микрозиверт в час), погрешность измерения до ±30%

Детектором (чувствительным элементом дозиметра, служащим для преобразования явлений, вызываемых ионизирующими излучениями в электрический или другой сигнал, легко доступный для измерения) может являться ионизационная камера, счётчик Гейгера, сцинтиллятор, полупроводниковый диод и др.

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Это газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

  • Измерение потока радиации происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами.
  • Между электродами создаётся разность потенциалов.
  • При наличии ионов в газе между электродами возникает ионный ток, который может быть измерен. Ток при прочих равных условиях пропорционален скорости возникновения ионов и, соответственно, мощности дозы облучения.

В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах, на основе которых построены дозиметры используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления.

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, детекторы дыма) заполнены воздухом.

Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Счётчик Гейгера или Гейгера-Мюллера (поскольку был разработан в кооперации между двумя учеными, по имени которых он и был назван) — это газоразрядный прибор для подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, пробивающийся при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Дополнительная электронная схема дозиметра обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300В), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Читайте так же:
Pg 440 сброс счетчика

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда). Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом и материалом (и толщиной) его стенок.

В бытовых дозиметрах производства СССР и России обычно применяются 400-вольтовые счётчики:

  • «СБМ-20» (по размерам — чуть толще карандаша), СБМ-21 (как сигаретный фильтр, оба со стальным корпусом, пригодный для жёсткого гамма- и бета-излучений);
  • «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения мягкого бета-излучения).

Широкое применение счетчиков объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки.

Цилиндрический счетчик состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка – катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 1500 В.

Работа основана на ударной ионизации. Гамма – кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство дозиметра. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счетчика является его эффективность. Не все гамма-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

Эффективность счетчика зависит от толщины стенок счетчика, их материала и энергии гамма — излучения.

  1. Наибольшей эффективностью обладают счетчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z , так как при этом увеличивается образование вторичных электронов.
  2. Кроме того, стенки счетчика должны быть достаточно толстыми. Толщина выбирается из условия ее равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счетчика и возникновение импульса тока не произойдет.
  3. Так как гамма-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность гамма — счетчиков также мала и составляет всего 1-2%.

Другим недостатком счетчика Гейгера – Мюллера является то, что он не дает возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счетчиках.

СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Сцинтилляторы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя — ФЭУ, значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.

Читайте так же:
Счетчики google для joomla 3

Какие параметры нужно учитывать при выборе счетчика

Устройство счетчика Гейгера позволяет определять уровень излучения с большой точностью. Но чтобы сделать правильный выбор, пользователь должен знать технические параметры разных моделей, их режимы работы, достоинства и недостатки:

  • Чувствительность. Этот параметр оценивается по соотношению количества микрорентген к числу импульсов, вызываемых излучением. Чувствительность может сильно варьироваться в зависимости от вида источника.
  • Площадь рабочей зоны. Этот показатель влияет на размеры устройства. Бытовой счетчик Гейгера имеет небольшие размеры, промышленные отличаются более внушительными габаритами. Чем обширнее площадь рабочей зоны, тем больше активных частиц сможет регистрировать прибор.
  • Рабочее напряжение. Этот показатель влияет на рабочие характеристики устройства. Среднее значение составляет 400 В.
  • Рабочая температура. Для моделей, которые разрешено использовать в общем применении, этот показатель находится в диапазоне от −50 до +70 градусов. Этот параметр очень важен, так как датчик используется в различных условиях, например, в реакторе, где температура может достигать высоких значений.
  • Рабочий ресурс. Он в среднем равен одному миллиарду улавливаемых импульсов. Этот параметр считается только в случае, когда аппарат включен и фиксирует частицы. При отсутствии воздействия напряжения или просто при хранении рабочий ресурс не уменьшается.
  • Мертвое время. Этот показатель указывает на период неактивности оборудования после срабатывания от уловленной частицы. Как правило, это значение равняется 10 микросекундам. Именно этот показатель влияет на то, что датчик может зашкалить и не отреагировать вовремя. Поэтому приборы необходимо закрывать свинцовыми экранами.

Все эти факторы указывают на правильную работу датчика и возможность его выбора для решения тех или иных поставленных задач. Счетчик Гейгера, благодаря своему принципу действия, применяется для изучения и контроля радиационного фона на АЭС, в радиоэкологии, медицине, быту, гражданской обороне, лабораторных и научных исследованиях и во многих других случаях.

Характеристики разных моделей

Раньше счетчиками Гейгера радиация измерялась в рентгенах (Р). Сейчас используют обозначение по системе СИ, поэтому экспозиционная доза выражается в кулонах на килограмм. Чтобы пересчитать ее в рентгены, можно использовать уравнение: 1 Кл/кг = 3876 Р.

В радиационных измерениях основными понятиями являются доза и мощность. Первый показатель — это количество элементарных зарядов, образовавшихся в ходе ионизации вещества. Под мощностью подразумевают скорость образования дозы за единицу времени. Для организма опасна даже минимальная доза, она способна проявить себя отдаленными последствиями. По данным ВОЗ радиационные излучения — одна из основных причин онкологических заболеваний.

Поднакопил я деньжат и таки купил вещь далеко не первой необходимости — счетчик Гейгера для смартфона. Меня жутко мучил вопрос — как такое возможно? Как может работать такой малюпасенький девайс да еще и со смартфоном, да еще и что-то измерять?

На странице продавана всё красиво расписано, фотки, характеристики, уровни допустимой дозы излучения и т.п.

Читайте так же:
Принтер бразер 1110 сбросить счетчик

Сделал заказ на Алиэкспресс, и вот пришла посылка со счетчиком

Посылка с Алиэкспресс

Посылка с Алиэкспресс счетчик Geiger

Почему-то колпачок идет отдельно от прибора. Счетчик Гейгер упакован в приличную такую пластиковую коробочку. Упаковка качественная. Претензий никаких.

Счетчик Гейгера (дозиметр) гамма излучения

На обратной стороне коробки описание какой крутой девайс и как просто им пользоваться.

Инструкция Smart Geiger

На самом деле, счетчик Гейгера представляет собой небольшой алюминиевый цилиндр диаметром 10мм и длиной 47мм (включая штекер).

Сам счетчик Geiger Smart Lab

Сам счетчик Geiger Smart Lab

На колпачке есть колечко. Предполагается, что этот гаджет нужно носить с собой, чтобы всегда был под рукой, а точнее в качестве брелока на ключах. Вес счетчика практически незаметен — 6 грамм.

В случае малейших сомнений — раз, и померил уровень радиации.

Geiger Smart Lab

Изучаем возможности этого Гейгера.

характеристики счетчика

Диапазон измерений достаточно широкий, но вот заявленная погрешность в +- 15% великовата. С такой погрешностью это не измеритель, а индикатор скорее. Ну да ладно, запустим в работу.

Поскольку у меня Android, то в Google Play забиваем в поиск FTLAB и первым пунктом выдает приложение Smart Geiger.

Устанавливаем, втыкаем счетчик в разъем для наушников и видим, что все сети отключились.

Фишка в том, что не должно быть ничего, что дает электромагнитное излучение. В смартфоне автоматически отключаются WiFi и GSM передатчики. (If you want to accurate result Enable Airplane Mode(WiFi & Data Off) & off the Music).

Немножко физики расскажу, в сильно упрощенном виде, на пальцах.

Этот счетчик оборудован полупроводниковым счетчиком Гейгера (полупроводниковым детектором), который, по идее, обладает хорошей чувствительностью. Все знают обычный счетчик Гейгера — цилиндр с электродами, наполненный газом. Частица излучения, проходя в среде газа, ионизирует его, и счетчик регистрирует импульс.

В полупроводниковом детекторе тоже есть своеобразные электроды, а роль газа выполняет специальная зона, в которой нет свободных носителей заряда. И когда наша зловредная частица гамма-излучения попадает в эту область, появляется импульс тока, по которому можно судить о количестве и энергии частиц.

Что ж, пришло время проверить точность измерений этого чудо-счетчика.

Я взял поверенный дозиметр-радиометр РКС-107 и произвел три измерения одновременно двумя устройствами.

Результаты на фото:

Тестовые измерения Счетчика Гейгера

Тестовые измерения Счетчика Гейгера 22

Тестовые измерения Счетчика Гейгера 2

Как видите, РКС-107 показывает среднее значение (0,17+0,12+0,16)/3=0,15мкЗв/ч. Примем эти показания за эталонные (другого эталона все равно нету). Да и фон в среднем 0,11-0,16мкЗв/ч.

А наш счетчик Гейгера упорно показывает 0,10мкЗв/ч.

Если учесть заявленную производителем погрешность, то это диапазон 0,115 — 0,085мкЗв/ч.

Выходит, врет приборчик, причем с погрешностью минимум в 50%.

К сожалению, ничего радиоактивного в пределах моей досягаемости не было, поэтому проверить показания прибора при больших значениях не представилось возможным.

Хотя, в интернетах пишут, что в прошлом веке при изготовлении разноцветной эмали, для усиления яркости краски использовали окиси урана. Этой эмалью покрывали керамическую посуду или украшения. Так же пишут про опасные стройматериалы, драгоценные камни, светящиеся стрелки часов. Но таких вещей не нашлось тоже.

В будущем, статья будет дополнена экспериментом, если я найду что-либо превышающее фон.

Достоинства: Миниатюрный. Легкий. Всегда под рукой.

Недостатки: сомнения в правильности показаний. В смартфоне отключаются все сети на время измерений.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector