Описание экспериментальной установки

Компьютер

Контроллер

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Свинцовый домик

Детектор

Источник

Поглотитель

Коллиматор К2

Коллиматор К1

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.

Источник гамма-излучения (таблетка ) и поглотитель в виде набора одинаковых тонких пластинок расположены в специальном контейнере, выполненном из практически непроницаемого для излучения материала. Обычно этот материал – свинец, поэтому контейнер называется «свинцовый домик». У свинцового домика есть такая же свинцовая дверка, а внутри – несколько полочек, на одну из которых (нижнюю) кладётся источник, на полочку выше кладётся поглотитель.

На других полочках в данной лабораторной работе размещаются коллиматоры К1 и К2. Коллиматор – это свинцовая толстостенная трубочка, выделяющая из излучения узкий направленный пучок. Первый коллиматор К1 формирует исходный направленный пучок, второй К2 – направленный пучок, выходящий из поглотителя. При исследовании узкого пучка устанавливаются оба коллиматора, а при исследовании широкого пучка – только один: К1.

В крышке домика есть отверстие, через которое выходит излучение. Над этим отверстием устанавливается детектор – устройство, регистрирующее частицы излучения. При регистрации гамма-излучения в качестве детектора используют обычно так называемый сцинтилляционный счётчик, который состоит из трёх элементов: сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и формирователяимпульсов.

· Сцинтиллятор – это кристалл, который обладает способностью при поглощении гамма-кванта излучать группу фотонов (как правило, оптического диапазона длин волн).

· Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – это электронное устройство, реагирующее на световые фотоны. Сначала в результате фотоэффекта каждый световой фотон с некоторой вероятностью выбивает из катода ФЭУ электрон, затем этот электрон «умножается», то есть генерирует целую группу электронов, создающих электрический импульс. В результате на гамма-квант, попавший в сцинтиллятор, ФЭУ может с некоторой вероятностью ε, которая называется эффективностью регистрации, сгенерировать электрический импульс.

· Формирователь преобразует импульс, сгенерированный ФЭУ, в стандартный прямоугольный электрический импульс.

Стандартные электрические импульсы из детектора попадают в контроллер – электронное устройство, связывающее детектор с компьютером. Назначение контроллера – не просто передавать информацию в компьютер, но и реагировать на команды, поступающие из компьютера для организации экспериментов.

Источником излучения в данной лабораторной работе является радионуклид кобальта . Ядро  в результате бета-распада превращается в возбуждённое ядро никеля . Схема распада следующая:

.

Рис. 2. Схема распада кобальта

γ, 1,1732 МэВ

(99,88 %)

β, 1,48 МэВ

(0,12 %)

γ, 1,3325 МэВ

β, 0,31 МэВ

E 0

E 1

E 2

Превращение кобальта в никель происходит по двум альтернативным каналам – см. схему на рисунке 2.

В первом канале (его вероятность равна 99,88 %) из ядра кобальта выделяется электрон с энергией 0,31 МэВ и рождается ядро никеля в возбуждённом состоянии E ₂, затем это ядро совершает двухступенчатый переход в основное состояние: сначала в возбуждённое состояние E ₁ с излучением гамма-кванта 1,1732 МэВ, затем – в основное состояние E ₀ с излучением гамма-кванта 1,3325 МэВ. Во втором канале (его вероятность равна 0,12 %) из ядра кобальта выделяется электрон с энергией 1,48 МэВ и рождается ядро никеля в возбуждённом состоянии E ₁. Затем это ядро переходит в основное состояние E ₀ с излучением гамма-кванта 1,3325 МэВ. Разница между энергиями квантов невелика, поэтому принято считать, что радионуклид  является источником моноэнергетического гамма-излучения с энергией 1,25 МэВ.

Рис. 3. Рабочий экран

В компьютер лабораторной установки заложен ряд программ, обеспечивающих проведение различных экспериментов. Экспериментатор может пользоваться этими программами, модифицировать их и создавать свои программы. На рисунке 3 показан рабочий экран лабораторной работы, то есть информация, которую видит экспериментатор на мониторе компьютера при запуске программы, управляющей выполнением данной лабораторной работы.

В верхней части экрана расположены три кнопки управления экспериментом: «Пуск», «Стоп» и «Сброс». В центральной части – три окна с результатами эксперимента: «Время экспозиции», «Число импульсов» и «Скорость счёта».

При нажатии кнопки «Пуск» эксперимент начинается: включается детектор, и из него в контроллер начинают поступать импульсы. Одновременно включается таймер. Счётчик в контроллере считает импульсы. Эксперимент заканчивается при нажатии кнопки «Стоп» или при достижении времени экспозиции 120 минут.

В окошке «Скорость счёта» высвечивается текущее значение скорости счёта n _и, то есть количество импульсов, генерируемых детектором в секунду. Это число обновляется каждые 10 секунд.