Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Описание установки и методика измерений

ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ и

Статистическая обработка результатов измерения

(Методические указания по дисциплине «Общая теория измерений», Глебов В.В.,

ЮРГУЭС, Шахты, 2004)

Цель работы:

Измерить фон вторичного космического излучения, ознакомиться с методами регистрации ионизирующего излучения и разброса интенсивности космического излучения, провести статистическую обработку результатов измерений

Приборы и оборудование:

Установка ФПК – 01 сдетектором Гейгера - Мюллера, формирователь импульсов, усилитель, пересчетное устройство, блок питания, устройство измерения.

Краткая теория

На верхние слои атмосферы Земли из мирового пространства непрерывно и изотропно (равномерно во всех направлениях) падает поток так называемых космических лучей. Эти лучи состоят из частиц высоких энергий, главным образом протонов. В космических лучах различают две компоненты: сравнительно малых энергий (до 10¹⁰ эВ) - солнечного происхождения и высокоэнергичную (вплоть до 10²¹ эВ), которую называют галактической компонентой. Энергия частиц космических лучей поразительно велика: энергии 10²¹ эВ достаточно для подъема груза массой в 10 кг на высоту около 1 метра. На лучших современных ускорителях, имеющих многокилометровые кольцевые каналы, достигнуты анергии протонов не более 10¹⁴ эВ. Проблема происхождения космических лучей считается одним из важнейших разделов современной астрофизики.

Попадая в верхние слои атмосферы Земли, частицы космических лучей взаимодействуют с ядрами атомов воздуха (главным образом, с азотом и кислородом). При этом, как правило, происходит множественное рождение вторичных частиц, в основном π-мезонов, масса которых в несколько сотен раз превышает массу покоя электрона. Энергия протона космических лучей столь велика, что прежде, чем он достигнет уровня Земли, произойдет несколько столкновений, сопровождающихся множественными процессами. Энергии вторичных частиц также хватает для возникновения ядерных реакций. Поэтому на уровне Земли всегда существует ионизирующее излучение, состоящее из вторичных продуктов ядерных взаимодействий первичного космического излучения с атмосферой.

Наиболее распространенный детектор ионизирующего излучения - счетчик Гейгера - Мюллера (рис. 1). Он был изобретен еще в 1908 г. Гейгером совместно с Резерфордом, а впоследствии усовершенствован Гейгером и Мюллером.

Ионизационный газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой герметичный цилиндр, внутри которого находится газ под давлением 100 - 200 мм рт. ст. (10 – 20 кПа). По оси цилиндра натянута нить, служащая анодом; катод - боковая поверхность цилиндра. Электрическое поле в цилиндре направлено по радиусам от оси, оно сильно неоднородно, поскольку напряженность электрического поля вблизи оси очень велика (вспомним, что поле равномерно заряженной нити меняется обратно пропорционально расстоянию до нити: Е ~1/r).

Ионы и.электроны, возникающие в процессе ионизации газа при пролете заряженной частицы через объем счетчика, движутся в электрическом поле. Движущиеся к аноду (осевой нити) электроны попадают в область сильного поля, где разгоняются до энергий, достаточных для ионизации молекул газа. Возникает полный разряд, а соответствующий импульс тока усиливается и регистрируется. Напряжение на счетчике составляет обычно несколько сотен вольт, время одного импульса около 10^-6 с, а время восстановления чувствительности счетчика - около 10^-4 с.

Фоновое космическое излучение, о котором шла речь до сих пор, имеет столь малую интенсивность, что практически безвредно для человека. Ионизирующее излучение радиоактивных изотопов, напротив, может быть очень сильным, и от него необходима специальная защита. Зашита от радиоактивного излучения основана на свойстве вещества поглощать излучение. При этом интенсивность излучения подчиняется известному закону Бугера: она экспоненциально убывает с ростом толщины слоя вещества, пронизываемого излучением:

I = I₀ ехр(- αх), (1)

причем коэффициент α, представляющий собой величину, обратную расстоянию, на котором интенсивность убывает в е раз, определяется главным образом плотностью вещества.

Вторичное излучение можно также охарактеризовать плотностью потока тонизирующих частиц

(2)

где Ф – поток ионизирующих частиц через площадь S;

ω - число ионизирующих частиц в единице объема вещества (концентрация);

- средняя скорость частиц;

- единичный вектор в направлении средней скорости.

Если площадка S - плоская и все частицы пролетают ее по нормали, соотношение (2) можно представить в другом виде:

(3)

где N – число частиц, пересекающих площадку S за время t.

Описание установки и методика измерений

1 Установка ФПК-01 позволяет регистрировать космическое излучение на поверхности Земли в зависимости от времени измерения, направления счетчиков относительно оси горизонта, отсутствия или наличия свинцовых фильтров и их толщины.

2. Погрешности измерения:

количества импульсов, не более, ± 2 ед. младшего разряда

времени, %, не более 1±1 ед. младшего разряда

3. Пределы изменения угла поворота телескопа объекта исследования от вертикали,

0… ±90° через 15° (наличие оцифрованных делений).

4. Возможность установки фильтра между блоками счетчиками телескопа со следующими параметрами: - материал пластин фильтра - свинец. - количество пластин фильтра – 9 -

толщина пластин фильтра, мм, - 20±0,5; - диапазон изменения толщины пластин фильтра, мм, 20

Примечание. В настоящей лабораторной работе установка включена в режиме регистрации ионизирующего излучения через одиночный (верхний или нижний) счетчик.

5. Установка состоит из объекта исследования и устройства измерительного, выполненных в виде конструктивно законченных изделий, устанавливаемых не лабораторном столе и соединяемых между собой кабелем.

Схематическое изображение соединения устройств приведено на рис.2, а фотография установки приведена на рис. 3.

220 В

50 Гц

Рис. 2 Схематическое изображение соединения устройств установки ФПК – 01:

1 -объект исследования; 2 - устройство измерения

Рис. 3. - Установка для изучения космических лучей

6. Объект исследования представляет собой основание, на котором размещено устройство, получившее в литературе название «космический телескоп» (далее-телескоп). С помощью поворотного механизма телескоп может наклоняться на угол ± 90 градусов от вертикального положения. Телескоп представляет собой систему счетчиков Гейгера-Мюллера, позволяющую регистрировать частицы, летящие в заданном направлении. Он состоит из двух групп счетчиков, регистрирующих комическое излучение. Группы счетчиков расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Возможность регистрации частиц, летящих в заданном направлении, реализуется следующим образом. Если частица попадает на телескоп с заданного направления, то она воздействует на обе группы счетчиков, каждая из которых выдает на выходе импульс. Если частица попадает на телескоп с другого направления, то она воздействует только на одну из групп счетчиков. Выходной импульс на второй группе счетчиков в это время отсутствует. Проанализировав выходные импульсы, численно соответствующих количеству частиц, воздействующих на телескоп с заданного направления.

Направление регистрации частиц будет в исходном состоянии телескопа (угол наклона равен 0) вертикальным. Изменяя с помощью поворотного механизма угол наклона телескопа к горизонту, можно определить интенсивность (путем подсчета количества частиц за определенное время измерения) космического излучения под различными углами к горизонту.

Конструкция объекта исследования позволяет при вертикальном положении телескопа вводить между группами свинцовые пластины фильтра, которые позволяют производить энергетическую селекцию частиц (частицы с более высокой энергией воздействуют на обе группы счетчиков, а остальные задерживаются фильтром). Изменяя толщину пластин фильтра, можно изменять чувствительность телескопа к частицам с различной энергией. Для ослабления экранирующего влияния помещения при работе с фильтром предусмотрена возможность установки телескопа в этом случае с небольшим наклоном на угол до 15 градусов. При этом объект исследования должен устанавливаться у окна, чтобы направление регистрации излучения не было перекрыто стеной, перекрытием и т.п.

В состав объекта исследования входит также формирователь, который содержит усилительно-нормирующие устройства для преобразования сигналов счетчиков космического излучения в нормированные импульсы для работы устройства измерительного, схема совпадения и высоковольтные преобразователи для питания счетчиков.

На задней стороне объекта исследования размещен узел коммуникации, закрытый предохранительной крышкой, предназначенный для поверки работы объекта исследования.

Привод поворотного механизма расположен в передней части объекта исследования. Управление поворотным механизмом осуществляется с помощью ручки. Для отсчета угла поворота предусмотрена шкала. Из корпуса формирователя выведен кабель с разъемом для подключения объекта исследования к устройству измерительному.

В качестве счетчиков в объекте исследования применены серийно выпускаемые счетчики Гейгера-Мюллера.

7. Устройство измерительное выполнено в виде конструктивно законченного изделия. В нем применена однокристальная микро-ЭВМ с соответствующими дополнительными устройствами, позволяющими производить подсчет количества импульсов, поступающих с объекта исследования и времени измерения с индукцией результатов, а также осуществлять функции управления установкой (предварительная установка времени измерения, начало и окончание измерения, остановка процесса измерения, сброс результатов, автоматическая остановка при переполнении счетчиков). В состав устройства измерительного входят также источники питания для питания, как самого устройства, так и объекта исследования.

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:

кнопка СБРОС – предназначена для установки в исходное состояние перед началом измерения или прерывания измерения с установкой в исходное состояние;

кнопка ПУСК/СТОП – предназначены для прерывания измерения без установки в исходное состояние и для включения режима измерения при начале измерения или после остановки измерения;

кнопка УСТАНОВКА – предназначена для включения и выключения (путем повторного нажатия) режима установки времени измерения);

кнопки "+" и "-" – предназначены для установки времени измерения (при этом при кратковременном нажатии происходит установка единиц диапазона 99,9 и 999с происходит автоматически);

жидкокристаллический индикатор – предназначен для индикации количества частиц при проведении измерения и времени измерения соответственно, а также режимов работы.

На задней панели устройства измерительного расположены выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой и разъемы для подключения объекта исследования и ПЭВМ.

Устройство измерительное с помощью сетевого шнура подключается к сети 220 В, 50 Гц.

8. Принцип действия установки основан на регистрации и подсчете количества частиц при помощи счетчиков ионизирующего излучения. Частицы ионизируют газ, которым наполнен счетчик и вызывают кратковременный разряд, преобразуемый в импульсы напряжения, регистрируемые, обрабатываемые и подсчитываемые установкой.

9. В процессе выполнения лабораторных работ снимаются зависимость изменения количества частиц за одинаковые промежутки времени измерения (3 – 5с) при фиксированном значении угла наклона телескопа к горизонту и фиксированном расположении толщины платин фильтра.

12 Следующая ⇒