近代物理实验2-1 盖革-米勒计数器及核衰变统计规律.docx

近代物理实验2-1 盖革-米勒计数器及核衰变统计规律 盖革-米勒计数器及核衰变统计规律方啸〔南开大学物理科学学院，天津 300071〕【摘要】本文介绍了盖革-米勒计数器的根本构造、工作原理和性能，并给出了核衰变的理论统计规律之后作者通过设计试验和分析数据测量了盖革-米勒计数管的坪特性，并验证了核衰变的统计规律关键字】盖革-米勒计数器 计数管 坪特性 核衰变 统计规律1. 引言盖革-米勒计数器〔G-M计数器〕是一种气体电离探测器，由德国物理学家盖革〔Hans Wilhelm Geiger,1882～1945〕和米勒〔E. Walther Muller，1905～1979〕在1928年独创[1]G-M计数器与正比计数器类似，但所加的电压更高带电粒子射入气体，在离子增殖过程中，受激原子退激，放射紫外光子，这些光子射到阴极上产生光电子，光电子向阳极漂移，又引起离子增殖，于是在管中形成自激放电为了使之能够计数，计数器中充有有机气体或卤素蒸气，能汲取光子，起到猝灭作用盖革-米勒计数器优点是灵敏度高，脉冲幅度大，缺点是不能快速计数1908年，盖革遵照卢瑟福〔E. Ernest Rutherford，1871～1937〕的要求，设计制成了一台α粒子计数器。

卢瑟福和盖革利用这一计数器对α粒子进展了探测从1920年起，盖革和米勒对计数器作了很多改良，灵敏度得到很大提高，被称为盖革-米勒计数器，应用非常广泛本文其次个局部先介绍了G-M计数器的构造组成，阐述了其重要部件G-M计数管的工作原理和性能第三局部给出了核衰变的理论统计规律，并对测量误差做出了理论估计第四局部是试验的详细设计第五局部对试验获得的数据进展分析处理试验胜利测得了G-M计数管的坪特性，并验证了核衰变的统计规律 2. G-M计数器 图1 G-M计数器试验装置图G-M计数器由G-M计数管、高压电源和定标器三局部组成〔如图1〕G-M计数管按用途可分为γ计数管(常见圆管型〕和β计数管(常见钟罩型)(如图2)[2] 图2 G-M计数管构造图计数管中充入压强10cmHg左右的惰性气体和少量猝灭气体计数器的工作原理类似于一个单丝正比室〔如图3〕，被电离而获得自由的电子将向阳极丝漂·图3 单丝正比室 移接近丝(典型丝的直径?约为几十?m)的电场对于电子来说已经足够高了(10KV/cm以上)，可以使这些电子再次电离其它原子产生雪崩——被电离离子对数目成指数增加图4所示为充入氩气和猝灭气体甲烷的单丝正比室中的雪崩效应状况，横坐标为电场强度，纵坐标为第一汤姆系数〔用于表征雪崩的指数增加速度状况的一个量〕。

图4 单丝正比室中的雪崩效应雪崩放电的瞬间，阳极获得一个低压脉冲，定标器获得一个脉冲信号计一次数然而计数管中还会发生一些其他现象气体分子在入射粒子的激发下进入激发态，它们退激时会发出光子，这些光子可能与阴极发生光电效应〔见图5〕，产生光电子并重复电离管中气体，引发连续放电，如此会导致一个粒子被计数器重复计数，使数据失真 图5 气体分子退激引发的光电效应防止这个现象的方法就是充入淬灭气体，猝灭其他有两个主要作用：剧烈汲取光子，幸免光电效应，以及在碰撞中汲取正离子能量，起到淬灭连续放电作用猝灭气体一般选用卤素或有机气体当然猝灭气体的浓度必需适量，假如过少，没有明显的猝灭作用，过多的话会导致雪崩放电受到阻碍，形成的脉冲不明显，甚至低于计数器的阈值，同样会使计数失真 G-M管的性能〔1〕坪特性：坪长、坪坡度、阈电压〔如图6〕图6 坪特性 〔2〕死时间、复原时间、辨别时间死时间：正离子鞘运行到能使电场复原的地方r0所需时间 复原时间：正离子鞘从r0运行到阴极所需时间辨别时间：经过时间τ以后出现的脉冲能被定标器记录 〔3〕探测效率探测效率：进入计数管的射线粒子能被记录的几率 β粒子：101%以上——由于干脆电离。

γ粒子：1%左右——通过与物质作用产生光电子而间接电离 〔4〕寿命寿命：计数管每放电一次就要分解大量猝灭气体分子所以为了延长计数管的工作寿命，工作电压应选择低一点 〔5〕温度效应温度效应：计数管在必须的温度范围内才能正常工作温度太低会使得猝灭分子凝合，进一步引发猝灭作用减弱，最终坪长缩短，直至完全失去猝灭实力 3. 核衰变的统计规律(1)大量核的衰变的统计规律N(t)?N0e??t (1)T时间内只有n个核衰变的几率为n??P(n)?nn!1e?n (2)n平均较大时，泊松分布化为高斯分布P(n)?2?ne?(n?n)22n (3)当n比拟小时如图7 图7时的泊松分布 n?3.5当n比拟大时，泊松分布公式化为高斯分布〔如图8〕 图8n较大时泊松分布化为高斯分布(2)统计误差单次测量标准误差为??n?n，假设测量值N，那么相对误差为屡次测量1假设在完全一样的条件下，重复K次测量，平均计数为K11，结果为N? NN?Ni?1Ki，标准误差N，K相对误差1KN，结果为N?1KN本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页。