原子核物理实验方法

1、核物理实验方法，2010年9月29日，第1章放射性测量中的统计，第2节放射性测量中的统计误差2。统计误差的计算。如果误差传递公式是自变量的函数，f的统计误差如下：2。多个测量结果的误差假设样本被测量k次，并且每个时间的测量时间是t，并且获得k个计数。则时间t的平均计算值为：根据误差传递公式得到的标准误差和相对误差为：无论一次测量还是多次测量，只要总计数相同，结果的相对误差也相同。3。计数率误差假设在t时间内记录N次计数，计数率为n=N/t，其标准误差和相对误差如下：计数率的相对误差与总计数相关且相等。考虑到多次测量的情况，假设放射性核素已被测量k次，测量时间分别为，计数分别为(i=1，2，k)

2、。为了得到平均计数率及其误差，我们可以先计算每次测量的计数率及其方差。因为每次测量的时间不一定相同，所以在计算平均计数率及其误差时，我们应该对平均值进行加权，并给每个测量结果一个权重。假设每次测量的重量为：计数率的加权平均值为：其标准误差为：4。当有背景时，误差的计算是由宇宙射线、周围环境中微弱的天然放射性、仪器噪声和其他放射源引起的，统称为背景。为了获得净计数率，应进行两次测量：第一次及时测量背景计数，第二次及时测量样本计数(包括背景)。此时，样品计数率为：其标准误差为：5。测量时间的选择和测量装置的工作状态首先讨论测量时间的确定。如果不考虑背景的影响，就需要合理分配样本和背景。我们可以得到

3、：通过区分净计数率的标准误差。此时，该最佳条件下的相对方差为：给定相对误差下所需的最小测量时间为：其次，考虑测量装置工作状态的选择。当使用不同的探测器或改变探测器的工作条件时，如工作电压或判别阈值，背景计数率和探测效率会有不同程度的变化。考虑到统计误差，需要选择给定时间内测量结果误差最小的工作状态或给定误差下测量时间最短的工作状态。选择检测效率高、背景计数率低的检测器。3.平均效应的统计误差。前面的讨论是关于记录脉冲的数量。还有一个测量装置，它记录反映辐射平均效应的量，并且它也有统计误差。对于整体电离室，假设在一定时间内进入电离室的粒子数为n，每个粒子产生的平均电离电荷为Q，电离室产生的总电荷

4、为Q=Nq。由于n有统计波动，Q也有统计波动。如果忽略Q的波动，Q的相对误差如下：第3节：测量数据的检查、放射性测量数据的检查或数据之间的差异。通过检查，可以了解测量数据的可靠性，有助于检查测量仪器的工作状态和测量条件是否正常稳定，有助于分析判断测量中除统计误差外是否还有其他误差。将实验数据和实测数据与一定的理论分布进行比较，比较结果是不同的，因此可以判断差异是否显著。检查第一次和第二次测量计数值之间的差异在相同条件下对放射性样品进行了两次测量，以获得计数总和。如果把它们看作是两个随机变量，它们的室服从相同的正态分布，它们的差异也服从正态分布，期望值为0，方差为0。因此，概率密度可以写成：上述

5、公式可以通过变量替换来标准化。考虑大于或等于的概率：预先设置一个值，并要求相应的概率为一个相对较小的值；然后，如果从通过实验测量的两个数值来计算，则认为和之间的差异是显著的，并且它们的可靠性应该受到怀疑。如果是这样，和之间的区别并不显著，所以没有必要怀疑它们的可靠性。2.一组测量数据的测试在相同条件下测量一组数据。如果每个数据都被视为随机变量，则假设它们服从相同的正态分布。因为M是未知的，它被平均值代替，然后被平均值代替。上面的分布被变量代替：随机变量z的平方和也是一个随机变量，据说服从k-1自由度的分布。该值不小于预定值的概率是：给出一个小的概率值：如果是，则意味着这组数据是异常的；如果，这

6、表明这组数据是正常的。给出一个大的概率值：如果，则意味着这组数据是正常的；如果，这表明这组数据是异常的。粒子探测器是核物理、粒子物理研究和辐射应用中不可缺少的工具和手段。当粒子与检测器中的物质相互作用时，会产生某些信息(如电和光脉冲或材料结构的变化)，这些信息在被放大后被记录和分析，以确定物理量，如粒子的数量、位置、能量、动量、飞行时间、速度和质量。1895年，德国物理学家伦琴发现胶片在没有可见光的情况下是敏感的，从而发现了x光；1896年，法国物理学家贝克雷尔发现射线可以作为粒子探测器历史的开端。1911年，英国新西兰物理学家卢瑟福在显微镜的帮助下观察到，单个粒子导致硫化锌发光。这是闪烁计数

7、器的雏形。1919年，他首次观察到用粒子轰击氮气产生氧气和质子的人工核反应，核物理迅速发展。粒子探测器、核物理和宇宙射线的发展反过来又推动了各种探测器的发展。径迹探测器如核乳胶、云室、火花室、流光室和电子探测器如电离室、正比和盖革计数器和闪烁计数器出现于20世纪20年代至60年代。从20世纪60年代末到80年代初，多线正比室、漂移室、各种电磁和强子热量计、标准快速电子插件NIM系统和CAMAC总线系统发展迅速。随着电子技术和计算机的飞速发展，数据采集、案例重构和显示的速度大大提高。出现了用于固定目标和对撞机的各种大型集成多粒子光谱仪和用于非加速器宇宙射线实验的大型电子探测器阵列。粒子探测器，粒

8、子探测器技术极大地推动了材料结构的研究，这是一门基础学科，并已广泛应用于国民经济和人民生活中，如工业探伤、海关集装箱检查、石油探井、非接触测量(核子秤、厚度测量等)。)、食品保藏、种子变异、癌症的诊断和治疗、X射线断层扫描(CT)、正电子发射断层扫描(PET)和刀、质子、粒子探测器、北京高能电子对撞机研究所、国家同步辐射加速器、兰州现代物理研究所、重离子加速器、上海同步辐射源、第三章气体探测器，使用气体作为探测介质，通过收集气体中带电粒子产生的电离电荷来探测核辐射，制备简单，性能可靠，成本低，使用方便。它用于核辐射探测、高能物理和重离子物理实验。有三种基本的气体探测器：电离室、正比计数器和盖革

9、-弥勒计数器。第一部分是气体中电子和离子的运动规律。气体的电离过程：当入射带电粒子穿过气体时，它们与气体分子电离。初始电离：由入射粒子与气体分子直接碰撞引起的电离。二次电离：由碰撞产生的高速电子引起的电离。特定电离：单位距离内粒子产生的离子的对数。电离能：带电粒子在气体中产生一对电子正离子所需的平均能量。总电离数n与入射粒子的能量成正比：总比电离和电离损失之间的关系是m，z分别是粒子的质量数和电荷量。特定电离与粒子的性质和能量有关，通过测量特定电离可以识别粒子。因为电离碰撞是一个随机过程，即使一个粒子失去了相同的能量，它的总电离仍然有统计涨落，涨落用方差来表示：电离的统计涨落决定了探测器能量分

10、辨率的下限。第二，电子和离子在气体中的漂移和扩散，电离后产生的电子和离子，除了气体分子碰撞产生的混沌运动做热运动外，还可以有两种方向的运动：1。由于外加电场的加速，沿电场方向漂移；2.由于不均匀的空间分布，电子和离子从高密度空间扩散到低密度空间。1.离子漂移在一定范围内。稳定状态下的离子漂移速度与电场强度E成正比，与气压P成反比：这个常数称为离子迁移率，它与气体的性质有关，而电场强度E/P称为降低的强度。在气体探测器中，离子的漂移速度约为0，这比离子混沌运动的速度u小得多。2.电子的漂移电子的漂移速度与降低的强度e/p不成比例(1)电子的漂移速度通常比离子的漂移速度大两倍，大约是。(2)电子的

11、漂移速度对气体的成分非常敏感。电子和离子的扩散如果单位时间内单位面积通过空间某一点的粒子(电子或离子)的净数量为dn/dt，则dn/dt与粒子的密度梯度成正比。d叫做扩散常数。根据空气动力学理论，如果粒子的速度服从麦克斯韦分布，D与混沌速度U和粒子的平均自由程有关；d与气体的性质、温度和压力有关。作为扩散的结果，电离产生的电子和正离子不会完全沿着外部电场的方向漂移，而是在漂移的同时向外扩散。为了比较离子和电子的漂移和扩散，如果粒子漂移和扩散的平均距离是0，那么在室温下，它是平均活化能，v是漂移路径两端的电势差。负离子的形成和离子的复合。负离子的形成电子吸附效应：当电子与气体分子碰撞时，它们可能

12、被捕获形成负离子。电子一次被捕获的概率与气体的性质有关。当有负的气体杂质时，电子被捕获形成负离子的机会将大大增加。由于负离子的形成，漂移速度大大降低，因此增加了复合损失并降低了收集的电离数n，这对气体检测器的性能产生了不利影响。减少负杂质影响的方法包括：(1)净化气体；(2)向单原子分子气体中加入少量双原子或多原子分子气体。2.离子与正离子或负离子与正离子的碰撞与电离相反，即它们复合成中性原子或中性分子，这称为电子复合或离子复合。电子或离子的复合率与粒子所在的电子和离子的密度成正比。假设电子或负离子的密度和正离子的密度，复合率称为复合系数，它取决于气体的性质、压力和温度，并与正负离子的相对速度

13、有关。离子收集和电压-电流曲线电荷收集过程：让带电粒子在探测器的敏感空间形成离子对。探测器的工作电压是在电场力的作用下，电子和离子分别向正负电极漂移，并被电极收集。收集的电离离子对数与外部电压的关系曲线，面积：复合面积：电离面积：比例面积：有限比例面积：盖革面积(G-M面积)，气体探测器单元的组成主要包括三个部分：1)合适的工作气体，它可以通过或间接的电磁相互作用产生电子-正离子对；2)适当的内部电场结构可以在一定的路径上收集电子；3)适当的信号输出电路可以将收集的电子和离子转换成电流(或电压)信号。第2节电离室1。概述最早测量核辐射的气体探测器之一1911-1914年，奥地利物理学家赫斯和德

14、国物理学家柯霍斯特通过一系列电离测量发现了宇宙射线；1932年，英国物理学家查德威克用电离室探测反冲质子，从而证实了中子的存在，因此他被授予1935年诺贝尔物理学奖；1939年，奥地利物理学家弗里斯用电离室证明核裂变过程中释放了大量能量。电离室类型：脉冲电离室：记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度。根据输出电路的参数，可分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。电流电离室和累积电离室：记录大量辐射粒子的平均效应和累积效应，主要用于测量中子的强度或通量、剂量或剂量率。它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。电离室结构：扁平电离室圆柱形电离室保护环的作用：从高压电极到地的漏电流不通过集电

15、极，集电极边缘的电场保持均匀无畸变，电离室有一定的灵敏体积。电离室的尺寸和形状、室壁和电极的材料、填充气体的成分和压力应根据辐射的性质和实验的要求来确定。选择性能良好的绝缘体，以避免电极间泄漏造成的测量误差。电流电离室中常用的工作气体是纯惰性气体、氮气和空气等。考虑到能量响应，也可以使用适当比例的混合气体。脉冲电离室1。脉冲形成以平面电离室为例，阴极接地，集电极通过电阻R接正高压，集电极对地电容为(包括探测器电容和分布电容)，信号输出点B的电位为。假设此时，带电粒子在该位置产生N个电子和正离子，电荷相加，分别以和的速度漂移到阴极和收集电极。电容器上的电压随时间变化如下：这是收集电极的电势。因为

16、扁平电离室的两极之间的距离d比电极板的面积小得多，所以它的电场强度是均匀的，也就是说，在x处的电势是：假设在漂移过程中电子和离子的速度是恒定的，将电容电压与电子和离子的收集时间积分可以得到：当，也就是说，当，也就是说，当， 平面电离室的电压脉冲波形和电流脉冲波形，讨论了输出脉冲分别是由于电子和正离子的收集。 通常，电离室的输出脉冲幅度很小，一般为毫伏级，必须用低噪声放大器来测量。脉冲的变化率取决于漂移速度。在时间上，脉冲的前沿主要是电子脉冲的贡献，电子脉冲构成了脉冲的快分量，其幅度与电离发生的位置有关。到时候，它主要是离子脉冲的贡献，离子脉冲是脉冲的慢分量，它的最终振幅只取决于电离的离子对总数，与电离发生的位置无关。负离子的形成将导致快速脉冲成分的损失。2。输出电路的影响脉冲电离室的输出电路和等效电路可视为电流源，输出电流应等于流过的电流之和3.能量分辨率电离室测量入射带电粒子能量的实验装置如下图所示。计数率随脉冲幅度