盖革一米勒计数管的特性及放射性衰变的统计规律

云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：近代物理实验实验项目：盖革一米勒计数管的特性及放射性衰变的统计规律学生姓名：朱江醒学号：20051050148物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业成绩指导教师：葛茂茂实验时间：2007年11月25日8时30分至12时30分实验地点：四合院实验类型：教学(演示□验证□综合□设计□)学生科研□课外开放□测试□其它□一．实验目的:（1）了解盖革—米勒计数管的工作原理及特点；（2）学会如何测量其特性参数及确定管子的工作电压；（3）掌握测量物质吸收系数的方法，并验证核衰变的统计规律。二．实验原理l、G-M管的结构和工作原理。G-M管的结构类型很多，最常见的有圆柱形和钟罩形两种，它们都是由同轴圆柱形电极构成。测量时，根据射线的性质和测量环境来确定选择哪种类型的管子。对于和等穿透力弱的射线，用薄窗的管子来探测；对于穿透力较强的射线，一般可用圆柱型计数管。G-M管工作时，阳极上的直流高压由高压电源供给，于是在计数管内形成一个柱状对称电场。带电粒子进入计数管，与管内气体分子发生碰撞，使气体分子电离，即初电离(粒子不能直接使气体分子电离，但它在阴极上打出的光电子可使气体分子发生电离）。初电离产生的电子在电场的加速下向阳极运动，同时获得能量。当能量增加到一定值时，又可使气体分子电离产生新的离子对，这些新离子对中的电子又在电场中被加速再次发生电离碰撞而产生更多的离子对。由于阳极附近很小区域内电场最强，故此区间内发生电离碰撞几率最大，从而倍增出大量的电子和正离子，这个现象称为雪崩。雪崩产生的大量电子很快被阳极收集，而正离子由于质量大、运动速度慢，便在阳极周围形成一层“正离子鞘”，阳极附近的电场随着正离子鞘的形成而逐渐减弱，使雪崩放电停止。此后，正离子鞘在电场作用下慢慢移向阴极，由于途中电场越来越弱，只能与低电离电位的猝灭气体交换电荷，之后被中和，使正离子在阴极上打不出电子，从而避免了再次雪崩。在雪崩过程中,由于受激原子的退激和正负离子的复合而发射的紫外光光子也被多原子的猝灭气体所吸收。这样,一个粒子入射就只能引起依次雪崩。计数管可看成是一个电容,雪崩放电前加有高压,因而在两极上有一定量的电荷存在,放电后电子中和了阳极上一部分电荷，使阳极电位降低。随着正离子向阴极运动，高压电源便通过电阻R向计数管充电，使阳极电位恢复，在阳极上就得到一个负的电压脉冲。因此，一次雪崩放电就得到一个脉冲，即一个入射粒子入射只形成一个脉冲，脉冲幅度的大小由高压电源电压和电阻R决定,与入射粒子的能量和带电量无关。2、G-M管的特性（1）坪曲线。在强度不变的放射源照射下,G-M管的计数率n随外加电压变化的曲线如图1所示。由于该曲线存在一段随外加电压变化而变化较小的区间即坪区，因此把它叫做坪曲线。坪曲线的主要参数有起始电压、坪长和坪斜。起始电压即计数管开始放电时的外加电压，图中用0V表示。坪长即坪区的长度，图中为21VV和之差。坪斜即坪区的坡度，通常用坪区内电压每增加l00V时计数率增长的百分比表示：42112211012nnTnnVV（）（V）[单位:%/(l00V)],(1)式中T表示坪斜，1n，2n分别对应于1V和2V时的计数率。坪曲线是衡量G-M管性能的重要指标，在使用前必须进行测量，以鉴别计数管的质量并确定工作电压。一般，工作电压选在离坪区起始点1／3～1／2坪长处。坪曲线的形状可作如下解释：外加电压低于0V时，加速电场太弱不足以引起雪崩放电，不能形成脉冲，因此计数管没有计数；电压高于0V,加速电场可使入射的部分粒子产生雪崩，此时虽有计数但计数率较小；随着电压升高，计数率迅速增大；电压超过1V后，计数率随电压变化很小，这是因为此时无论入射粒子在管内何处发生初电离，加速电场均可使其产生雪崩放电，外加电压的升高只是使脉冲幅度增大而不影响脉冲的个数，所以计数率几乎不变，但因猝灭不完全和负离子的形成造成的乱真放电会随电压的升高而增多，因而产生坪斜。当电压继续升高使猝灭气体失去猝灭作用时，一个粒子入射可引起多次雪崩,是计数率急剧增加，即进入连续放电区，这时管内的猝灭气体会被大量耗损，使管子寿命缩短。使用时应尽量避免出现此种情况，当发现计数率明显增大时，应立即降低高压。（2）死时间、恢复时间和分辨时间：如前所述，入射粒子进入G-M管引起雪崩放电后在阳极周围形成的正离子鞘削弱了阳极附近的电场，这时再有粒子进入也不能引起放电，即没有脉冲输出，直到正离子鞘移出强场区，场强恢复到刚刚可以重新引起放电的这段时间称为死时间Dt。从这之后到正离子到达阴极的时间称为恢复时间Rt。在恢复时间内，粒子进入计数管所产生的脉冲幅度低于正常值。实际上更有意义的是系统的分辨时间，因为任何电子线路总有一定的触发阈，脉冲幅度必须超过触发阈V时才能触动记录电路。因此，从第一个脉冲开始到第二个脉冲的幅度恢复到触发阈的这段时间内，进入计数管的粒子均无法记录下来，这段时间称为系统的分辨时间。显然，DRDttt。三个时间的关系如图2所示。为了真实地测量入射粒子的强度，分辨时间越小越好。然而无论如何，分辨时间总是存在的。若相继进入计数管的两个粒子的时间间隔小于分辨时间，第二个粒子就会漏记，实测计数率将低于实际计数率，为此，需对测量结果作漏计数校正。设n为单位时间内进入G-M管的平均粒子数（真计数率），m为计数系统实测的平均计数率，在分辨时间不变时，单位时间内的总分辨时间为m，在m时间内进入计数器的粒子数为nm，因此，计数率的损失为nmmnn所以,mmn1(2)测分辨时间可用示波器测量也可用双源法测量。双源法是利用两个独立源I和II，在完全相同的条件下，分别测量各个源的计数率21,mm,及源I、II同时存在的计数率12m。若忽略本底，则由式（2）得其真计数率分别为1111mmn,2221mmn,1212121mmn。由于实验条件完全相同，则2112nnn，即22111212111mmmmmm。若112m，可将上式按m展开，略去2及高次项，整理后即得2112212mmmmm(3)式中21,nn分别是源I和II的真计数率，12n是两源同时存在的真实合计数率。（3）计数管的探测效率。计数管的探测效率是指一个粒子进入计数管后引起脉冲输出的概率。对于G-M计数管，如果工作电压合适并加有漏计数修正，则只要辐射粒子能引起电离就能有脉冲输出，因此，探测效率就是辐射粒子引起初电离的概率。所以，G-M计数管对带电粒子的探测效率几乎是100％。对于光子，由于它不能直接引起电离，必须通过与管壁碰撞打出的光电子或康普顿电子才能引起电离，初电离概率小，所以探测效率也低，通常只有1％左右。（4）本底。在没有放射源时,G-M管也能测得计数，这个数称为本底。本底主要来源是周围环境中的微量放射性物质和宇宙射线。实验中测得的计数率必须减去相同条件下的本底计数率才是真正的计数率。3.射线的吸收规律。射线通过一定厚度的物质后,强度减弱的现象叫射线的吸收。这是因为射线进入物质后,与物质中原子的核外电子或原子核发生非弹性碰撞损失能量，使其运动速度变慢，最后某些射线便终止在物质内部。对于同一种吸收物质，若吸收物质的厚度比射线的射程小很多，则射线在物质中的吸收，近似地服从指数衰减规律。若用和0分别表示射线被吸收前后的强度（实验上用计数率表示，单位为1s），表示物质对射线的吸收系数，d表示物质的厚度，则有de0两边取对数，得d0lnln(4)由于0和u不变，从式（4）可以看出，d与ln成线性关系，即为一直线，如图3所示。直线斜率的绝对值就是射线在该种物质内的吸收系数，即1212lnlndd(5)若式中的d使用几何厚度（单位为cm），则为线性吸收系数（单位为1／cm）。实用中为了避免使用物质的密度，厚度d通常使用质量厚度（单位为g／2cm），此时为质量吸收系数（单位为2cm／g）。4.核衰变的统计规律。放射性原子核要发生衰变，但在某一时刻究竟哪些核要发生衰变却并不知道,它们衰变完全是随机独立的。由于任一放射性样品都含有大量的放射性原子核，而大量的随机过程又服从统计分布的，即核衰变服从统计规律。也就是说，在放射性测量中，即使所有测量条件都稳定不变，多次重复测量的结果却各不相同，有时甚至相差很大，但却总是围绕着某一平均值上下涨落。（1）泊松分布。大量实验表明,若某时间间隔内的平均计数N小于10,则某次测量(相同时间间隔)的计数为N的概率)(NP服从不对称的泊松分布NNeNNPN!)((6)可以证明，泊松分布的方均根差N为NNPNNNN2102）（）（（2）高斯分布(即正态分布)。当20N时,泊松分布可用高斯分布来代替,NNNeNNP2)(221)(（7）可以证明，高斯分布的方均根差同徉为NN。由此看出，无论是哪种分布，其方均根差N均为N,这里N应是无数次反复测量的平均值。在放射性测量中,由于N较大,N与N相差不多,因此,可用一次计数值N来代替平均值N。习惯上,方均根差又称标准差,所以标准差NN(8)由分布函数可以计算出平均值N落在NN到NN区间的概率为68.3％。由式（8）可以看出，标准差N随计数N增大而增大，但不要误认为N越大，测量反而越不精确。事实上，N越大，测量精确越高。通常测量精度用相对误差来直接反映。按定义，相对误差NNNNENN1(9)所以N趣大，相对误差越小，测量精度越高。因此，当放射源较弱时，为了保证测量精度,可延长测量时间以增大计数。设t时间内测得的计数为N，则计数率n为tNn，所以计数率的标准差N及相对误差nE分别为tntNtNn2(10)NntntnnEnn11(11)任何放射性测量总存在本底,设bt时间内测得的本底计数为bN，本底计数率为sbtn；时间内测得的样品计数（包括本底）为sN，计数率为sn；则净计数率0n为bsnnn0，所以测得的样品真计数率的结果可表示成bbssbsntntnnnn）（00(12)三．实验装置实验装置包括G-M计数管、计数管探头、自动定标器、铝吸收片和放射源。计数管探头是一个前置放大器，用于将计数管产生的脉冲进行放大。自动定标器已集高、低压电源和定标器为一体，计数管所需高压便由自动定标器提供。四．实验内容1.测量G-M管的主要性能——坪曲线和分辨时间。（1）测坪曲线。接好线路并检查定标器是否正常工作（用自检档检查），取一放射源置于G-M计数管旁，慢慢升高电压，找出起始电压0V。然后从300V到800V，以25伏为间隔测量各个电压对应的计数率（每个电压测量3次计数），直到计数率显著增长为止。要求每次测量的相对误差小于2％，测完后将高压降到零。根据记录数据绘出坪曲线，确定0V,21VV及,计算出坪长和坪斜，并选定工作电压。*（2）用双源法测分辨时间。用上面相同的装置，将高压调到选定的工作电压处。为满足式（3）成立的条件1m，必须限制源强（可用加吸收片的办法），通常实验室所用的圆柱形G-M计数管的分辨时间的数量级为s310，请计算m应小于多少。此外，要保证实验条件完全相同，必须使源I和II在单独测量及同时测量时的几何位置不变，请考虑测量顺序。要求每个计数值的相对误差小于1％。2.验证核衰变所遵从的统计规律。（1）高斯分布。固定高压、计数时间及源位置，重复测量300次以上计数，记录数据并用计算机作统计，画出分布曲线并求出平均值N和标准差，然后将所求得的N值代入高斯分布式（7），画出理论图形并与实测分布图比较。（2）泊松分布。重复测量1秒内的本底计数300次以上，也用计算机画出分布曲线并求出平均值N和标准差。若N〈l0，则将所求得的N值代入泊松分布式（6），画出理论图形并与实测分布图比较。由以上两个实验加深理解核衰变所遵从的统计规律。实验指导教师签名学生签名实验指导老师填写1、实