蓋革計數(shù)器的特性研究

蓋革計數(shù)器的特性研究復(fù)旦大學(xué)物理系徐超

---目錄---摘要3二.關(guān)鍵詞3三.引言3四.理論與實驗部分3五.結(jié)果與討論4六.結(jié)論6七.致謝6八.參考文獻(xiàn)6

摘要：本實驗研究了蓋革計數(shù)器的基本特性，如坪特性、分辨時間、壽命范圍，目的是為了探討蓋革計數(shù)器的優(yōu)缺點并且鞏固關(guān)于核蛻變統(tǒng)計規(guī)律的相關(guān)知識。實驗中使用的方法為控制變量法，控制單一變量，研究其造成的各類現(xiàn)象。通過研究，蓋革計數(shù)器在靈敏度上表現(xiàn)出的性能優(yōu)越，但是仍然有很多不足，如功能單一，以及不能快速技術(shù)，同時在實驗儀器上也有很多改進(jìn)的空間。關(guān)鍵詞：蓋革計數(shù)器、蓋革管、控制變量法、坪特性。引言：GM計數(shù)管是一種常用的核物理探測器，其構(gòu)造如下圖所示：由陰極罩杯和陽極棒組成，工作時通上高壓，形成柱狀電場，放射粒子打入腔體內(nèi)，使得氣體分子電離，通過收集，達(dá)到計數(shù)的效果，是一種非常著實有效的計數(shù)儀器。目前，GM計數(shù)器已經(jīng)慢慢的被閃爍體計數(shù)器和半導(dǎo)體計數(shù)器更新，后者能夠?qū)崿F(xiàn)快速技術(shù)以及對高能射線的計數(shù)功能。但是由于其優(yōu)良的坪特性和高脈沖性，使其成為屹立于計數(shù)器世界80年而不被淘汰的重要儀器，本文將著重對GM計數(shù)管的坪特性以及其他特性進(jìn)行研究，并提出改進(jìn)意見。理論與實驗部分Partne.理論部分：坪特性（坪長度）：在進(jìn)入計數(shù)管的放射性粒子不變的條件下，變化加在計數(shù)管電極上的電壓而得到的數(shù)據(jù)曲線，具體的理論圖可以見下圖：我們可以看到3個階段，其中V0到VT階段，只有一部分產(chǎn)生原始離子對數(shù)較多的粒子，引起的負(fù)脈沖比較大，能觸發(fā)定標(biāo)器計數(shù)，計數(shù)率在這個階段能隨著典雅的升高而升高。在VT到V2階段是蓋革區(qū)，此時只要產(chǎn)生一對離子就會引起全管放電，脈沖幅度只取決于電壓而與原始離子無關(guān)，此時增加電壓，只會增加脈沖的幅度而不增加脈沖的個數(shù)，所以計數(shù)率保持不變，稱之為坪區(qū)。電壓超過V2后，每次放電產(chǎn)生的離子非常大，正離子到達(dá)陰極打出次級電子再次引起放電的幾率非常的大，因而已經(jīng)接近連續(xù)放電區(qū)。分辨時間：放電后陽極附近產(chǎn)生的正離子鞘向陰極不斷移動后，隨著電場的恢復(fù)，在某一時間之后出現(xiàn)的脈沖能被定標(biāo)下來的時間稱為分辨時間。PartTw.實驗部分本次試驗的主要一起有：鉛室和GM計數(shù)管，高壓電源，電腦及放射源。本次試驗中我們在鉛室中使用的是連續(xù)抽屜式平臺，其優(yōu)點是可以任意調(diào)節(jié)放射源到蓋革計數(shù)器的距離，同時也能根據(jù)需要擺放不同個數(shù)的相同放射源。放射源的使用切記謹(jǐn)慎，碰到放射源的部分不能入口，本次試驗中使用的放射源為銫和鈷，均屬于弱輻射源，是蓋革計數(shù)器偏愛的類型（蓋革計數(shù)器對于高能輻射源的計數(shù)力不從心）。實驗中我們發(fā)現(xiàn)的問題主要有放射源輻射粒子數(shù)偏少，解決的方案是利用幾個相同放射源疊加放入鉛室解決的，在這個過程中，我們看到放射源的層狀對稱堆疊和并排對稱堆疊在理論上都是可行的，事實的確如此。在測量坪特性時，我們采用的方法是固定電壓，從0.8kV開始進(jìn)行計數(shù)，然后每0.1kV計數(shù)一次，直至2.0kV到達(dá)量程最大值為止。總共測得數(shù)據(jù)12組。利用riginPr8.0進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理并且圖像化，得到相關(guān)結(jié)論。在測量分辨時間時，我們同時考慮了相同計數(shù)時間和不同計數(shù)時間的請款，分別記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)。并根據(jù)數(shù)據(jù)分析了誤差存在某個單位的原因。結(jié)果與討論坪特性（坪長度）：以上是我們的實驗結(jié)果，我們在1.5kV時測得的計數(shù)率為0，而在1.6kV時測得的計數(shù)率為1000，之后一直保持著平穩(wěn)的趨勢，直到之后2.0kV時開始超出高壓電源輸出最大值，我們無法繼續(xù)測量。從這張圖中我們看到從1.5kV到1.6kV時，計數(shù)率有一個瞬間的上升，不同于我們看到的理論圖樣中的坡狀上升。我們認(rèn)為這是由于定標(biāo)器不靈敏造成的，即當(dāng)初始電壓升高的時候，坪區(qū)變短（這里體現(xiàn)為上升破被忽略，直接進(jìn)入坪區(qū)）。同時我們還看到雖然坪區(qū)體現(xiàn)為波動的，但是在整體的趨勢上仍然有一個向上的緩慢變化趨勢，這可以理解為隨著電壓的增加，多次計數(shù)有所增加以及計數(shù)管靈敏體積的增大。分辨時間：文件編號計數(shù)時間分辨時間(s)分辨時間的誤差GM0301300.0.GM0302300.0.GM0303300.0.GM0304300.0.GM03051500.0.GM03063000.0.以上是我們通過計數(shù)得到的6組分辨時間計算數(shù)值，我們發(fā)現(xiàn)以下問題：誤差較大。對于相同的計數(shù)時間，分辨時間與分辨時間誤差也各不相同。我們認(rèn)為這個較大的誤差是由于多方面造成的。首先，考慮到我們使用的是鉛室作為計數(shù)容器，推拉時容易造成放射源的位移，而對于計數(shù)器的實驗來說，放射源的位置對于最后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)有著至關(guān)重要的影響；本實驗中提供的蓋革計數(shù)器與鉛室未能完全焊接固定，這也是造成誤差的一個原因。除此之外，我們認(rèn)為這與我們之前的坪特性測量也是有一定關(guān)系的，即由于蓋革計數(shù)器的定標(biāo)器不是很靈敏，使得整個測量結(jié)果雪上加霜。使用壽命與保養(yǎng)蓋革計數(shù)器為了防止離子的反復(fù)計數(shù)，在腔體內(nèi)沖入了猝滅氣體，猝滅氣體一旦被分解后就不能起到猝滅的作用了。一般來說一次計數(shù)消耗的粒子個數(shù)為1010（個），使用次數(shù)約為108次，因為考慮到實驗室中的蓋革計數(shù)器已經(jīng)使用了20多年以及這個實驗儀器使用的頻繁度，我們可以認(rèn)為，蓋革計數(shù)管的猝滅效果已經(jīng)被很大程度上的削弱了，在這樣的情況下，我們更應(yīng)該根據(jù)坪特性測量得到的曲線合理選取測量電壓，避免高壓產(chǎn)生的連續(xù)放電，這對于蓋革計數(shù)器的壽命來說是毀滅性的。結(jié)論本次實驗驗證了理論的坪特性曲線：坪區(qū)、坪區(qū)的緩慢變化。分析了坪特性瞬間變化的原因，并從儀器的性能角度分析出發(fā)提出了一套增強(qiáng)坪特性曲線的方法。另外，從坪特性完整性的角度來看，可以使用量程為0kV到4kV的高壓電源輔助實驗，可以觀測到坪特性的完整的三段曲線。但是我們也看到分辨時間的結(jié)果不理想，所以還需要對實驗的操作過程與儀器做進(jìn)一步的細(xì)化與改進(jìn)。致謝首先，我要感謝物理實驗中心的樂永康老師對于我本次試驗的指導(dǎo)。也要感謝在實驗答辯時張新夷老師對我PPT上數(shù)據(jù)格式要求的補(bǔ)充以及對于實驗改進(jìn)的意見。然后，我還要感謝我的part