Методи реєстрації йонізуючого випромінювання.

Мета. Ознайомити з методами реєстрації йонізуючого випромінювання. Розширити кругозір учнів про вплив випромінювання на живі організми. .

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 11 кл. Рівень стандарту:/ Бар'яхтар В.Г., Довгий С.О.

План

Хід уроку

1. Організаційний момент.

Перевірка домашнього завдання.

2. Методи реєстрації йонізуючого випромінювання.

Методи спостереження і реєстрації заряджених частинок.

• Перша група реєструвальних приладів (детекторів) ґрунтується на здатності заряджених частинок і γ-квантів, які проходять через газ, йонізувати його.

Йонізаційна камера. Найпростіша йонізаційна камера має вигляд замкненої посудини, заповненої газом при певному тиску, всередині якої між електродами створюється електричне поле. Принцип дії йонізаційної камери розглянемо на прикладі лічильника Гейгера-Мюллера. 

Схему її електричного кола зображено нижче (А, К — електроди iонізаційної камери).

До електродів лічильника прикладають напругу 0,8...3 кВ. Лічильник заповнюють найчастіше сумішшю аргону з повітрям або зі спиртовою парою при тиску 0,01 МПа. Проходження зарядженої частинки через лічильник супроводжується іонізацією атомів газу, що заповнює камеру лічильника. Під дією електричного поля електрони набувають такої енергії, що під час зіткнень іонізують нові атоми газу. Кількість йонів зростає лавиноподібно, в газі лічильника відбувається електричний розряд, а в його колі з’являється імпульс струму. Поблизу анода лічильника утворюється велика кількість позитивних йонів, які мають малу рухливість і створюють просторовий позитивний заряд, що оточує нитку анода. Дія цього заряду зменшує напруженість електричного поля між електродами лічильника, внаслідок чого розряд припиняється. Через деякий проміжок часу, коли позитивні йони просторового заряду досягнуть катода, напруга на лічильнику знову досягає початкового значення і в ньому знову може відбутися розряд при проходженні нової зарядженої частинки.

Мінімальну кількість частинок, що їх здатний зареєструвати лічильник за одиницю часу, називають роздільною здатністю лічильника. Вона визначається тривалістю фізичних процесів, що виникають у лічильнику, коли в нього потрапляє заряджена частинка. Для різних лічильників роздільна здатність має значення від 103 до 1010частинок за секунду.

Кількість відліків, яку може зробити лічильник за одиницю часу (роздільна здатність), залежить також від прикладеної до електродів лічильника напруги. Цю залежність показано на рис. 17.3. За допомогою одного лічильника Гейгера — Мюллера можна лише зареєструвати факт проходження частинки через лічильник. Для спостереження за рухом якої-небудь частинки, для встановлення напряму її руху звичайно використовують систему лічильників, розташованих послідовно один за одним і з’єднаних за спеціальною радіотехнічною схемою «збігіву або «антизбігів». При проходженні швидкої зарядженої частинки через два або більше лічильників, з’єднаних за схемою «збігів», лічильники спрацьовують, і частинки реєструються. Це дає змогу реєструвати частинку, що летить лише в певному напрямі.

Відео. Лічильник Гейгера-Мюллера (Час показу 9:54 хв)

• Друга група приладів (фотоемульсійні пластинки, кристалічні лічильники) використовує здатність зарядженої частинки iонізувати кристали броміду аргентуму, що містяться у фотоемульсії, або iонізувати кристали напівпровідника і, отже, різко змінювати його електропровідність.

Метод товстошарових фотоемульсій. Останнім часом все більш широкого застосування в ядерних дослідженнях набуває фотоемульсійний метод, який має переваги порівняно з методом лічильників і камер.

Суть цього методу полягає в тому, що спеціально виготовлена фотоемульсія здатна реєструвати шлях зарядженої частинки. Чим більша йонізуюча дія частинки, що пролітає, тобто чим більші втрати її енергії на йонізацію, тим більше виникає чорних зернин на її шляху і тим густішим буде слід частинки. За виглядом сліду частинки (за його густиною, за наявністю звивистості) можна встановити напрям руху частинки, оцінити її енергію, зафіксувати місце виникнення частинки, зробити висновок про її вид тощо.

Напівпровідникові (кристалічні) лічильники. До iонізаційних лічильників належать також напівпровідникові лічильники, які часто називають кристалічними. Принцип роботи напівпровідникового лічильника такий самий, як і iонізаційного. У кристалічному лічильнику частинка, що пролітає, породжує електрони провідності й «дірки». Із відповідного напівпровідникового матеріалу — сульфіду кадмію (СdS) або сульфіду цинку (ZnS), алмазу, хлориду аргентуму (АgСl) — виготовляють пластинку невеликих розмірів, яку підключають до спеціальної радіотехнічної схеми. На цю пластинку спрямовують потік досліджуваних частинок, кількість яких треба підрахувати.

Простота пристрою та експлуатації, малі розміри, висока чутливість і швидке зростання імпульсу струму є характерними позитивними властивостями кристалічних лічильників.

• Третя група приладів (сцинтиляційні та черенківські лічильники) використовує флюоресценцію, яка збуджується зарядженою частинкою, або світіння Черенкова при проходженні частинки крізь речовину.

Сцинтиляційні лічильники. Сцинтиляційні лічильники — це прилади, що складаються з речовини (люмінофора, фосфору), яка люмінесціює під дією iонізуючих частинок, фотоелектронного помножувача та відлікового пристрою.

Першим із таких реєстраторів частинок був спінтарископ. Він складався з екрана, поверхня якого була вкрита сульфідом цинку, джерела радіоактивного випромінювання і мікроскопа. Зіткнення частинок з екраном викликали спалахи (сцинтиляції), які реєструвались візуально. Проте точність такого методу не могла задовольнити зростаючих вимог експерименту. В 1947—1949 рр. було започатковано успішну реєстрацію сцинтиляцій за допомогою фотоелектронного помножувача (ФЕП). Сьогодні сцинтилятор у поєднанні з ФЕП та відліковим пристроєм є незамінним приладом в експериментальній ядерній фізиці. Позитивною властивістю сцинтиляційних лічильників є виключно короткий час та висока ефективність лічби, яка на кілька порядків перевищує ефективність іонізаційних лічильників.

• До четвертої групи приладів належать трекові прилади для реєстрування заряджених частинок — камера Вільсона, дифузійна та бульбашкова камери.

У цих приладах іони є центрами конденсації пересиченої пари і центрами, на яких утворюється пара в перегрітій рідині. При русі зарядженої частинки в такому середовищі на її шляху утворюється слід (трек) з найдрібніших краплинок рідини («туманна смуга»), а у випадку перегрітої рідини залишається трек у вигляді ланцюжка бульбашок пари. Треки можна спостерігати візуально або фотографувати.

Трекові прилади дають широку інформацію про окремі ядерні процеси, і ця інформація вирізняється певною наочністю. За допомогою трекових приладів у поєднанні з магнітним полем можна досить просто визначити імпульс та енергію частинок.

Камера Вільсона. Історично першим трековим приладом, за допомогою якого безпосередньо спостерігали сліди окремих заряджених частинок та ядерні перетворення, була камера Вільсона, створена англійським фізиком Ч. Вільсоном (1912 р.). За винахід камери Вільсон отримав Нобелівську премію з фізики 1927 року.

Камера Вільсона має вигляд герметично замкненого об’єму V (робочий об’єм), заповненого якимось газом, що не конденсується (повітря, водень, гелій, аргон, азот), і насичений парами деяких рідин, найчастіше парою суміші рідин (вода і спирт). У сучасних камерах, розрахованих для дослідження космічного випромінювання, робочий об’єм вимірюється сотнями і тисячами літрів. Для створення переохолодженої пари в робочому об’ємі одна зі стінок робиться рухомою (у вигляді поршня або еластичної діафрагми). Швидке адіабатичне розширення супроводжується різким пониженням температури.

Швидка заряджена частинка, рухаючись крізь хмару перенасиченої пари, йонізує її. Процес конденсації пари відбувається швидше у місцях утворення йонів. Як наслідок, там, де пролетіла заряджена частинка, утворюється слід із крапель води, який можна сфотографувати. Саме через такий вид треків камера отримала свою англійську назву cloud chamber — туманна кімната.

Камеру Вільсона зазвичай поміщають у магнітне поле, в якому траєкторії заряджених частинок викривляються. Визначення радіусу кривизни траєкторії дозволяє визначити відношення питомого електричного заряду частинки, а, отже, ідентифікувати її. За допомогою камери Вільсона можна визначити також знак електричного заряду, імпульс і енергію частинки.

• Відео. Шкільна камера Вільсона (Час показу 0:52 хв)
• Відео. Камера Вільсона (Час показу 2:07 хв)
• Відео. Уран в камері Вільсона (Час показу 5:22 хв)

Дифузійна камера. Дифузійна камера — прилад, призначений для спостереження треків iонізуючих частинок, який вперше запропонував А. Лангдорф (1939 р.). Дифузійна камера — це видозмінена конструкція камери Вільсона, але на відміну від якої дифузійна камера весь час перебуває в робочому стані. В основі її роботи лежить також явище конденсації краплинок з пересиченої пари на iонах уздовж траєкторії частинки, що пролітає. В камері Вільсона пересичений стан пари досягається на короткий час, і лише в цей проміжок часу вона може реєструвати заряджену частинку, що пролітає через неї. Цей недолік усунуто в дифузійній камері, де пересичення пари створюється за рахунок постійно існуючого перепаду температури між дном та кришкою камери. Дифузійна камера є приладом безперервної дії: коли б не потрапила заряджена частинка до робочого об’єму камери, вона завжди залишить свій слід.

Бульбашкова камера. Істотним недоліком камери Вільсона та дифузійної камери є мала гальмівна здатність робочих речовин, які використовуються в них. У 1952 р. Д. Глезер (США) побудував прилад, що дістав назву бульбашкової камери. Рідина, якою заповнюють камеру, перебуває під підвищеним тиском, що запобігає її закипанню. При різкому зниженні тиску до нормального рідина виявляється перегрітою. Якщо в цей час через камеру пролетить заряджена частинка, то на утворених на її шляху йонах починається бурхливе пароутворення, а слід частинки стає видимим.

Для реєстрації проходження нових заряджених частинок камера має бути підготовленою до наступного робочого циклу. Тривалість робочого циклу бульбашкової камери становить 4... 10 с. Відношення корисного (чутливого) часу до загальної тривалості циклу у випадку бульбашкової камери менше, ніж для дифузійної, але більше, ніж для камери Вільсона. Внаслідок великої густини речовини слід частинки в більшості випадків потрапляє в поле зору.

У 1960 р. Д. Глезеру було присуджено Нобелівську премію за створення бульбашкової камери.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 90.1. Усередині камери Вільсона, що перебуває в однорідному магнітному полі, розмістили стрічку з фольги. Частинка рухається перпендикулярно до ліній магнітного поля. Радіус трека частинки після проходження крізь фольгу зменшився у 2 рази. Визначте, яку частину кінетичної енергії втратила частинка під час проходження крізь фольгу. Відповідь запишіть десятковим дробом.

Задача 90.2. У камері вільсона, поміщеній в однорідне магнітне поле з індукцією 1,5 Тл, альфа-частинка, влетівши перпендикулярно до ліній індукції, залишає слід у вигляді кола радіуса 2,7 м. Визначте імпульс і кінетичну енергію частинки. Маса альфа-частинки 6,7·10-27 кг, її заряд 3,2·10-19 Кл. (В. 12,5·1011 Дж; 12,96·1019 кг·м/с)

4. Запитання до уроку.

5. Домашнє завдання.

Підручник. §41

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Тести. Методи реєстрації йонізуючого випромінювання. (Відповіді учнів)

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.

Радіоекологічний контроль в Україні. Початок спостережень за радіоактивним забрудненням довкілля відноситься до 1954 року, коли на території України були відкриті перші 16 пунктів по відбору проб атмосферних випадів. Організація систематичних спостережень за радіоактивним забрудненням навколишнього середовища саме у ті часи була обумовлена необхідністю оцінки наслідків використання ядерної енергії у різних сферах діяльності людини, найбільш значущими з яких на ті часи було проведення випробувань ядерних пристроїв у атмосфері, що проводились Радянським Союзом та США, та розповсюдження продуктів ядерних вибухів у планетарному масштабі. <<Читати детальніше>>

Якщо радіаційний фон перевищує 0,4 мкЗв/год - потрібно шукати причину перебільшення. Якщо радіаційний фон перебільшує 1,2 мкЗв/год - перебувати в даному місці небезпечно.

Творче завдання. Що залишає туманні сліди всередині цього пристрою? Як, на вашу думку, ці сліди утворюються, якщо температура внутрішньої поверхні приладу становить - 32°С. (Відповідь)