Камера для спостереження шляхів α-частинок
Битюцька Алла Олександрівна,31 група ТО14 (технологічна освіта 2014 рік вступу)
Зміст
Загальний опис (принцип дії)
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.
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.
Третя група приладів (сцинтиляційні та черенківські лічильники) використовує флюоресценцію, яка збуджується зарядженою частинкою, або світіння Черенкова при проходженні частинки крізь речовину.
До четвертої групи приладів належать трекові прилади для реєстрування заряджених частинок — камера Вільсона, дифузійна та бульбашкова камери.
Іонізуюче випромінювання Види, властивості та одиниці вимірювання іонізуючого випромінювання.
Іонізуюче випромінювання - це випромінювання, взаємодія якого з середовищем призводить до утворення електричних зарядів (іонів) різних знаків. Джерелом іонізуючого випромінювання є природні та штучні радіоактивні речовини та елементи (уран, радій, цезій, стронцій та ін.). Джерела іонізуючого випромінювання широко використовуються в атомній енергетиці, медицині (для діагностики та лікування) та в різних галузях промисловості (для дефектоскопії металів, контролю якості зварних з'єднань, визначення рівня агресивних середовищ у замкнутих об'ємах, боротьби з розрядами статичної електрики і т. ін.).
Іонізуюче випромінювання поділяється на електромагнітне (фотонне) та корпускулярне. До останнього належать випромінювання, що складаються із потоку частинок, маса спокою яких не дорівнює нулю (альфа- і бета-частинок, протонів, нейтронів та ін.). До електромагнітного випромінювання належать гамма - та рентгенівські випромінювання.
Альфа-випромінювання - це потік позитивно заряджених частинок (ядер атомів гелію), що рухаються зі швидкістю 20 000 км/с.
Бета-випромінювання - це потік електронів та позитронів, швидкість яких наближається до швидкості світла.
Гамма-випромінювання - це короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке за своїми властивостями подібне до рентгенівського, однак має значно більшу швидкість (приблизно дорівнює швидкості світла) та енергію.
Іонізуюче випромінювання характеризується двома основними властивостями: здатністю проникати через середовище, що опромінюється, та іонізувати повітря і живі клітини організму. Причому обидві ці властивості іонізуючого випромінювання зв'язані між собою обернено пропорційною залежністю.
Найбільшу проникну здатність мають гамма - та рентгенівське випромінювання. Альфа- та бета-частинки, а також інші, що належать до корпускулярного іонізуючого випромінювання, швидко втрачають свою енергію на іонізацію, тому в них порівняно низька проникна здатність.
Дія іонізуючого випромінювання оцінюється дозою випромінювання. Розрізняють поглинуту, еквівалентну та експозиційну дози.
Поглинута доза- це відношення середньої енергії Е, що передається випромінюванням речовині в деякому елементарному об'ємі, до маси у цьому об'ємі: D=Eːdm
Одиницею поглинутої дози в системі одиниць СІ є грей (Гр), а позасистемною - рад; 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.
Оскільки різні види іонізуючого випромінювання навіть при однакових значеннях поглинутої дози спричинюють різний біологічний ефект, введено поняття еквівалентної дози Я, що визначається як добуток поглинутої дози та коефіцієнта якості даного випромінювання Кя: H=D*Кя
Коефіцієнт якості показує у скільки разів радіаційна небезпека даного виду випромінювання вище радіаційної небезпеки рентгенівського випромінювання при однаковій поглинутій дозі. У табл.1 наведені значення коефіцієнта якості для деяких видів випромінювання.
Таблиця 1. Значення коефіцієнта якості для деяких видів випромінювання
| № з/п | Види випромінювання | Коефіціент якості,Кя |
|---|---|---|
| 1 | Рентгенівські та гамма-випромінювання | 1 |
| 2 | Електрони та позитрони В-випромінювання | 1 |
| 3 | Протони з енергією менше 10 МеВ | 10 |
| 4 | Нейтрони з енергією 0,1-10 МеВ | 10 |
| 5 | Альфа-випромінювання з енергією менше 10 МеВ | 20 |
| 6 | Важкі ядра атомів | 20 |
Значення коефіцієнта якості для деяких видів випромінювання.
Одиницею еквівалентної дози опромінення в системі СІ є зіверт (Зв): 1 Зв = 100 бер. Бер (біологічний еквівалент рада) - позасистемна одиниця Н.
Для кількісної оцінки іонізуючої дії рентгенівського та гамма-випромінювання в сухому атмосферному повітрі використовується експозиційна доза, яка являє собою відношення повного заряду іонів одного знаку АхЯ, що виникають у малому об'ємі повітря, до маси повітря в цьому об'ємі: X=d*Q/dm
За одиницю експозиційної дози приймають кулон на кілограм (Кл/кг). Застосовується також позасистемна одиниця - рентген (Р); 1 Р = 2,58 o 10"4 Кл/кг.
Поглинута, еквівалентна та експозиційна дози за одиницю часу (1с) називаються потужностями відповідних доз.
Мал 1.Треки а-частинок в камері Вільсона.png
Іонізаційна камера. Найпростіша йонізаційна камера має вигляд замкненої посудини, заповненої газом при певному тиску, всередині якої між електродами створюється електричне поле.
Iонізаційні камери поділяють на два види: лічильно-iонізаційні, розраховані на реєстрацію проходження через камеру однієї якої-небудь частинки, та інтегруючі iонізаційні, які застосовують для вимірювання інтенсивності потоку частинок. До іонізаційних лічильників належать пропорційні лічильники та лічильники із самостійним газовим розрядом — лічильники Гейгера — Мюллера.
Камера Вільсона Принцип дії камери Вільсона ґрунтується на здатності iонів бути центрами конденсації краплинок у пересиченій парі. 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).
Мал.Камера Вільсона
Мал.Схематичне зображення камери Вільсона
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.
Бульбашкова камера Бульбашкова камера — детектор треків швидких заряджених частинок, який використовує властивість іонів бути центрами утворення бульбашок у перегрітій рідині.Заряджена частинка, пролітаючи крізь рідину, іонізує її молекули вздовж своєї траєкторії.Іони виконують роль зародків бульбашок у спеціально приготовленій перегрітій рідині. Утворений слід фотографують.Бульбашкову камеру зазвичай поміщають в магнітне поле, що дозволяє ідентифікувати частинки за їхнім питомим зарядом.За винахід бульбашкової камери в 1952 році Дональд Глейзер отримав Нобелівську премію з фізики за 1960.
Мал.2 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.
Лічильник Гейгера — один з найважливіших приладів для автоматичного рахунки частинок, винайдений в 1908р.
Мал.Сучасний лічильник Гейгера
Лічильник Гейгера складається з металевого циліндра, що є катодом (тобто негативно зарядженим електродом) і натягнутого вздовж його осі тонкого дротика — анода (тобто позитивного електрода). Катод і анод через опір R приєднані до джерела високої напруги (близько 200—1000В), завдяки чому в просторі між електродами виникає сильне електричне поле.
Обидва електрода поміщають у герметичну скляну трубку, заповнену розрідженим газом (зазвичай аргоном).
Дія лічильника засноване на ударній іонізації.
Схематичне зображення будови й принципу дії лічильника Гейгера.
Історична довідка
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.). Дифузійна камера — прилад, призначений для спостереження треків iонізуючих частинок, який вперше запропонував А. Лангдорф (1939 р.). У 1952 р. Д. Глезер (США) побудував прилад, що дістав назву бульбашкової камери. За винахід бульбашкової камери в 1952 році Дональд Глейзер отримав Нобелівську премію з фізики за 1960. Лічильник, початково для реєстрації тільки альфа-частинок розробив у 1908 році Ганс Гейгер, працюючи разом із Ернестом Резерфордом. До 1928 року Гейгер зі своїм аспірантом Вальтером Мюллером вдосконалили його таким чином, що стала можливою реєстрація різних частинок. Сучасний лічильник з використанням галогенів винайшов у 1947 році Сідні Г. Лібсон. Запропонована ним модифікація дозволити знизити напругу з 1000—1500 В до 400 — 600 В, підвищивши при цьому довговічність приладу. Вченими Об’єднаного інституту ядерних досліджень (м. Дубна, Росія) для фізичних досліджень на Серпуховському прискорювачі створено велику рідинно-водневу камеру «Людмила». Довжина її 2 м, а об’єм рідкого водню близько 1 м3. Камера складається з металевого корпусу, заповненого рідким воднем і закритого великим оптичним склом. Пуск камери «Людмила» відбувся 26 вересня 1971 р.
Технічні характеристики
Зазвичай, камера Вільсона складається з циліндра, що містить насичене парою повітря, і поршня, що може ходити у цьому циліндрі. При опусканні поршня повітря різко охолоджується, і камера стає придатною для роботи. Іншим, більш сучасним варіантом є використання замість поршня резинової діафрагми.В цьому випадку камера має перфороване дно, під яким розташована діафрагма, в яку закачане повітря під тиском. Тоді для початку роботи потрібно лише випустити повітря з діафрагми в атмосферу або спеціальну ємність. Такі камери є дешевшими, простішими у використанні, а також менше нагріваються при роботі.
Для частинок низьких енергій тиск повітря в камері опускають нижче атмосферного, тоді як для фіксаціі високоенергетичних частинок, навпаки, повітря в камеру закачують під тиском в десятки атмосфер. Камеру заповнюють парою води і спирту. Така суміш використовується через те, що водяна пара краще конденсується на негативних іонах, а пара спирту — на позитивних.
Час активної роботи камери триває від кількох сотих, до кількох секунд, що проходять від розширення повітря і до того часу, доки камера не заповниться туманом, після чого камера очищується і може запускатись повторно. Повний цикл використання зазвичай складає близько хвилини.Джерело випромінювання може поміщатися всередину камери, або знаходитися ззовні її. В цьому випадку частинки потрапляють в камеру через прозорий екран.
Сфера застосування
Значення камери Вільсона для фізики елементарних частинок важко переоцінити — протягом десятків років вона була єдиним ефективним способом безпосередньо спостерігати елементарні частинки. З її допомогою були відкриті позитрон та мюон, а також досліджені ядерні реакції альфа-частинок з атомами азоту.Після винайдення бульбашкової і іскрової камери значення камери Вільсона почало зменшуватися, проте, через значно меншу вартість, порівняно з більш прогресивними детекторами, вона все ще використовується у деяких галузях. Існують модифікації лічильника Гейгера, призначені для реєстрації нейтронів. Нейтрони — нейтральні частинки, тому не йонізують газ. Однак, якщо стінки лічильника вкрити бором, а до робочого газу камери додати певну кількість трифлюориду бору BF3, то можлива реєстрація ядерної реакції, при якій вивільняються заряджені альфа-частинки, що можуть іонізувати газ, а отже реєструватися.
Фото, відео-матеріали
2.Зображення фотогафії Вільсона.
Список використаних джерел
1. І.М.Кучерук, І.Т.Горбачук, П.П.Луцик (2006). Загальний курс фізики: Навчальний посібник у 3-х т. Київ: Техніка.
2.Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2004—2013.
3.Вакуленко М. О. Тлумачний словник із фізики : {6644 статті} / М. О. Вакуленко, О. В. Вакуленко. — К. : Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2008. — 767 с.
