蓋革計(jì)數(shù)器的特性研究

蓋革計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究了蓋革計(jì)數(shù)器的基本特性，如坪特性、分辨時(shí)間、壽命范圍，目的是為了探討蓋革計(jì)數(shù)器的優(yōu)缺點(diǎn)并且鞏固關(guān)于核蛻變統(tǒng)計(jì)規(guī)律的相關(guān)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)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(guò)研究，蓋革計(jì)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(shí)在實(shí)驗(yàn)儀器上也有很多改進(jìn)的空間。關(guān)鍵詞：蓋革計(jì)數(shù)器、蓋革管、控制變量法、坪特性。引言：GM計(jì)數(shù)管是一種常用的核物理探測(cè)器，其構(gòu)造如下圖所示：由陰極罩杯和陽(yáng)極棒組成，工作時(shí)通上高壓，形成柱狀電場(chǎng)，放射粒子打入腔體內(nèi)，使得氣體分子電離，通過(guò)收集，達(dá)到計(jì)數(shù)的效果，是一種非常著實(shí)有效的計(jì)數(shù)儀器。目前，GM計(jì)數(shù)器已經(jīng)慢慢的被閃爍體計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體計(jì)數(shù)器更新，后者能夠?qū)崿F(xiàn)快速技術(shù)以及對(duì)高能射線的計(jì)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(jì)數(shù)器世界80年而不被淘汰的重要儀器，本文將著重對(duì)GM計(jì)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(jiàn)。理論與實(shí)驗(yàn)部分Partne.理論部分：坪特性（坪長(zhǎng)度）：在進(jìn)入計(jì)數(shù)管的放射性粒子不變的條件下，變化加在計(jì)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(jiàn)下圖：我們可以看到3個(gè)階段，其中V0到VT階段，只有一部分產(chǎn)生原始離子對(duì)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(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)率在這個(gè)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(shí)只要產(chǎn)生一對(duì)離子就會(huì)引起全管放電，脈沖幅度只取決于電壓而與原始離子無(wú)關(guān)，此時(shí)增加電壓，只會(huì)增加脈沖的幅度而不增加脈沖的個(gè)數(shù)，所以計(jì)數(shù)率保持不變，稱之為坪區(qū)。電壓超過(guò)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(jí)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(shí)間：放電后陽(yáng)極附近產(chǎn)生的正離子鞘向陰極不斷移動(dòng)后，隨著電場(chǎng)的恢復(fù)，在某一時(shí)間之后出現(xiàn)的脈沖能被定標(biāo)下來(lái)的時(shí)間稱為分辨時(shí)間。PartTw.實(shí)驗(yàn)部分本次試驗(yàn)的主要一起有：鉛室和GM計(jì)數(shù)管，高壓電源，電腦及放射源。本次試驗(yàn)中我們?cè)阢U室中使用的是連續(xù)抽屜式平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是可以任意調(diào)節(jié)放射源到蓋革計(jì)數(shù)器的距離，同時(shí)也能根據(jù)需要擺放不同個(gè)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(yàn)中使用的放射源為銫和鈷，均屬于弱輻射源，是蓋革計(jì)數(shù)器偏愛(ài)的類型（蓋革計(jì)數(shù)器對(duì)于高能輻射源的計(jì)數(shù)力不從心）。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)的問(wèn)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(gè)相同放射源疊加放入鉛室解決的，在這個(gè)過(guò)程中，我們看到放射源的層狀對(duì)稱堆疊和并排對(duì)稱堆疊在理論上都是可行的，事實(shí)的確如此。在測(cè)量坪特性時(shí)，我們采用的方法是固定電壓，從0.8kV開(kāi)始進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后每0.1kV計(jì)數(shù)一次，直至2.0kV到達(dá)量程最大值為止?？偣矞y(cè)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(cè)量分辨時(shí)間時(shí)，我們同時(shí)考慮了相同計(jì)數(shù)時(shí)間和不同計(jì)數(shù)時(shí)間的請(qǐng)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(gè)單位的原因。結(jié)果與討論坪特性（坪長(zhǎng)度）：以上是我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們?cè)?.5kV時(shí)測(cè)得的計(jì)數(shù)率為0，而在1.6kV時(shí)測(cè)得的計(jì)數(shù)率為1000，之后一直保持著平穩(wěn)的趨勢(shì)，直到之后2.0kV時(shí)開(kāi)始超出高壓電源輸出最大值，我們無(wú)法繼續(xù)測(cè)量。從這張圖中我們看到從1.5kV到1.6kV時(shí)，計(jì)數(shù)率有一個(gè)瞬間的上升，不同于我們看到的理論圖樣中的坡?tīng)钌仙?。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(shí)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(shí)我們還看到雖然坪區(qū)體現(xiàn)為波動(dòng)的，但是在整體的趨勢(shì)上仍然有一個(gè)向上的緩慢變化趨勢(shì)，這可以理解為隨著電壓的增加，多次計(jì)數(shù)有所增加以及計(jì)數(shù)管靈敏體積的增大。分辨時(shí)間：文件編號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)間分辨時(shí)間(s)分辨時(shí)間的誤差GM0301300.0.GM0302300.0.GM0303300.0.GM0304300.0.GM03051500.0.GM03063000.0.以上是我們通過(guò)計(jì)數(shù)得到的6組分辨時(shí)間計(jì)算數(shù)值，我們發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：誤差較大。對(duì)于相同的計(jì)數(shù)時(shí)間，分辨時(shí)間與分辨時(shí)間誤差也各不相同。我們認(rèn)為這個(gè)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(jì)數(shù)容器，推拉時(shí)容易造成放射源的位移，而對(duì)于計(jì)數(shù)器的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，放射源的位置對(duì)于最后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有著至關(guān)重要的影響；本實(shí)驗(yàn)中提供的蓋革計(jì)數(shù)器與鉛室未能完全焊接固定，這也是造成誤差的一個(gè)原因。除此之外，我們認(rèn)為這與我們之前的坪特性測(cè)量也是有一定關(guān)系的，即由于蓋革計(jì)數(shù)器的定標(biāo)器不是很靈敏，使得整個(gè)測(cè)量結(jié)果雪上加霜。使用壽命與保養(yǎng)蓋革計(jì)數(shù)器為了防止離子的反復(fù)計(jì)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(lái)說(shuō)一次計(jì)數(shù)消耗的粒子個(gè)數(shù)為1010（個(gè)），使用次數(shù)約為108次，因?yàn)榭紤]到實(shí)驗(yàn)室中的蓋革計(jì)數(shù)器已經(jīng)使用了20多年以及這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器使用的頻繁度，我們可以認(rèn)為，蓋革計(jì)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(cè)量得到的曲線合理選取測(cè)量電壓，避免高壓產(chǎn)生的連續(xù)放電，這對(duì)于蓋革計(jì)數(shù)器的壽命來(lái)說(shuō)是毀滅性的。結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(lái)看，可以使用量程為0kV到4kV的高壓電源輔助實(shí)驗(yàn)，可以觀測(cè)到坪特性的完整的三段曲線。但是我們也看到分辨時(shí)間的結(jié)果不理想，所以還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)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(shí)驗(yàn)中心的樂(lè)永康老師對(duì)于我本次試驗(yàn)的指導(dǎo)。也要感謝在實(shí)驗(yàn)答辯時(shí)張新夷老師對(duì)我PPT上數(shù)據(jù)格式要求的補(bǔ)充以及對(duì)于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意見(jiàn)。然后，我還要感謝我的part