盖勒-弥勒计数器和放射性探测实验方案(优.选)
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盖勒-弥勒计数器和放射性探测实验方案
一.实验目的
1.理解盖革—弥勒计数器的工作原理和掌握测量方法;
2.了解核辐射计数(放射衰变)的统计分布规律及计数率测定的标准偏差计算方法。
二.实验内容
1.测定盖革—弥勒计数器的工作原理和掌握测量方法;
2.用盖革—弥勒计数器测定放射源的强度及其衰变规律。
三.实验原理
1.盖革-弥勒计数器的工作原理
盖革-弥勒计数器简称G-M计数器。它由G-M计数管、高压电源和定标器组成。常见的G-M计数管,是在一密封的玻璃管内,中心张紧一根钨丝作为阳极,紧贴玻璃管的内表面装一金属圆筒作为阴极。管内充以惰性气体。
用G-M计数管作测量时,高压电源通过高电阻R加在计数管的两极上。于是,在管内的两极间产生一柱对称电场,愈靠近阳极,电场愈强。当有粒子射入计数管后,将引起管内的气体电离,产生少量的离子对。但所产生的负离子(实际上是电子)被电场加速向阳极运动。在趋向阳极的过程中,与气体分子多次发生碰撞,打出很多次极电子。这些次极电子仍可获得足够的能量又产生新的电离,因此在阳极附近,次极电子急剧倍增,出现所谓“雪崩”现象,同时,雪崩过程向阳极丝两端扩展,从而导致整个计数管放电。
由于电场在阳极附近最强,所以绝大多数离子对是在阳极附近产生的,在电场作用下,电子的迁移速度比正离子大得多,很快趋向阳极被中和,而正离子还仍然包围着阳极,形成所谓“正离子鞘”。正离子鞘大大削弱了阳极附近的电场,从而使电子暂时失去电离气体分子的能量,雪崩过程就自动停止。之后,正离子鞘在电场作用下向阴极运动。
计数管的两极间具有一定的电容,加上高电压后使两面三刀极带有一定量值的电荷。随着正离子鞘运动到阴极中和后,两极上的电荷量将减少,阳极电位降低,于是高压电源通过电阻R向计数管充电,使阳极电位得到恢复,从而在阳极上得到一个负电压脉冲。脉冲的大小决定于计数管中的场强,而与入射粒子引起的原始离子对的数目无关(在计数评区内)。只要脉冲幅度足以触发定标器,定标器就记录下这个负脉冲,作为一次计数。
正离子到达阴极后会从阴极上打出电子,因为这时阳极附近的电场已经恢复,被打出的电子经过电场加速又会引起计数管放电。这样只要有一个辐射粒子射入计数管,将会引起一次又一次循环不断的放电,从而使计数管无法再记录第二个入射的粒子。
为了使第一次放电后不再引起下一次放电,就在计数客内加入少量能使放电猝来的其他气体。当第一次放电后形成的正离子鞘向阴极运动途中,和猝灭气体分子碰撞,使其电离、隋性气体离子吸收其放出的电子而成为中性分子。于是到达阴极的几乎全是猝灭气体的正离子,它们吸收阴极上的早子使自身离解成小分子,而不打出电子,第二次放电被猝灭。
计数管每计数一次,就有一部分猝灭气体分子被电离,因此,其浓度逐渐降低。在正常条件下,这类管子达107—108次以后,就不能猝灭第二次放电了。
2.G-M计数管的坪特性
当计数管在强度不变的放射源照射下,改变加在计数管两极间的电压,可得到计数率随电压变化的G-M计数管的“坪曲线”。坪曲线的主要参数有起始电压、坪长和坪坡度。
当计数管两极间电压较小时,定标器闭幕不计数。因为此时计数管阳极附近电场强度很小,不足以引起雪崩过程,放电脉冲小,不能触发定标器。当电压增加电压到U
2
,在这范围内,入射粒子只要电离一个气体分子,就会引起全管放电,所有脉冲都达到可记录的幅度。计数率几乎不再随电压的升高而增加,也不受原
始离子对数目的影响,曲线这段叫做“坪区”,对应的电压差U
2—U
1
叫做“坪长”,
它是计数管的工作区,通常计数管的工作电压选在坪长的三分之一至二分之一之间,由于坪区的存在,工作电压的波动对计数率影响很小。
在坪区末端,从U
2
开始,电压若升高,计数率将急剧上升,这时由于电压太高,计数管已进入“连续放电压”。计数管连续放电一次,要消耗大量猝灭气体分子,加速计数管老化。因此,在使用时,一定要避免发生连续放电。
G-M计数管坪曲线图
3.放射性测量的统计规律
放射性物质各原子内部的核衰变是完全随机的、独立的。因此,核辐谢计数遵从统计规律,即泊松分布。
泊松分布公式:p(n)=λn/n! ·e-λ(其中λ为平均计数n’)上式表明,在时间T内,平均计数为n’时,计数为n出现概率。
当n较大时,用泊松分布计算误差较困难,只要n>10以上,可用高斯分布代替泊松分布。高斯分布公式为:
P(n)= (1/2n’)*exp[(n’-n)^2/2n],
实测随机抽样n无限多次测量平均数n之间的标准误差,按高斯分布有^2=∫(n’-n)^2P(n)dn=n’;
即=(n’)^1/2;
相对标准误差 En=n’=1/(n’)^1/2;
一般常用计数率m=n/t表示,基标准误差为
m m/t^
相对标准误差为 Em= m m’=1/(mt)^1/2;
从上式看出,测量时间愈长,总的计数愈大,计数率的相对误差愈小。应当说明,上式在无限多次测量地基础上得到的,实际上我们无法也没必要办到,因此将一次测量值作为平均值处理。同时在评定测量结果不确定度时,也将在上述几个公式的基础上进行计算。
4.放射源活度测量
放射源的放射性活度定义为单位时间内衰变的原子核个数。放射性活度常用单位为居里,规定每秒衰变3.7*1010次为1居里。放射性活度测量的主要依据是计数器探测的计数率。为了测量准确,第一要考虑仪器的差异,用标准源对仪器进行对比标定;第二要考虑环境已有的放射性影响(如宇宙射线),进行本底计数率校正。
测量时,先对末知源进行测量,设计娄率为m
x
;将未知源换成标准源,计数
率为m
0;最后在没有放射源的情况下,仪器的本底计数率为m
b
,标准源的活度已知
为D
0,则未知源的活度D
x
为:D
x
=(mx-mb)/(mo-mb)D
四.实验仪器
盖革-弥勒(G-M)计数管、自动定标器(带高压电源)、长寿命放射源、铅室及其他物品。
五、实验步骤
1、调节计数时间100s,放上任一源,从280V 至500V 每隔20V 记录一组数据,作出
坪曲线图,求出相应参数。
2、在上一步中选取工作电压( 2 1 ~U U ),时间取300s,分别测量已知源与未知源的
记数,记录数据。
3、不放源,时间取1s,记录出现了哪些记数及出现的次数,求出500 次中每个记数
出现的概率,做分布曲线图。
4、分不同时间测量,和相同时间多次测量与单次测量比较。研究放射性测量的规律。
5、给定相对标准误差的情况下,利用公式
计算相应时间,并通过实验证实。
电气 0 4
陈景军
0 4 0 6 5 2 1 7
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