Лабораторная работа: β-спектроскопия

Оборудование: 

Цель эксперимента:

После изучения гамма-спектрометрии студент знакомится с измерением и интерпретацией β-спектров с использованием пластикового сцинтилляционного детектора.

Основы теории:

Существует три типа β-распадов:

• β⁻-распад  (испускание электронов):  
  n → p + e⁻ + νₑ

• β⁺-распад  (испускание позитронов):
  p → n + e⁺ + νₑ

• Захват электрона  (ЕС):
  p + e⁻ → n + νₑ

Где p — протон, n — нейтрон, νₑ — электронное нейтрино (слабо взаимодействующая частица).
Из-за кинематики трёх тел и энергии, уносимой нейтрино, спектр β-частиц представляет собой непрерывное соединение от нуля до максимальной энергии, зависящей от изотопа (и массы нейтрино).

Проведение эксперимента:

• Подключите питание и кабели MCX от сцинтилляционной плитки SP5608 к одному из каналов блока усиления SP5600.

• Подключите аналоговый выход к каналу 0, а цифровой — к входу "trigger IN"  оцифровщика DT5720A.

• Используйте значения по умолчанию в программном обеспечении или оптимизируйте параметры (напряжение смещения, усиление, порог дискриминатора), чтобы исключить фоновый вклад.

• Отключите питание, откройте верхнюю крышку SP5608, установите β-источник на центр плитки и закройте крышку.

• Включите питание и зарегистрируйте  β-спектр.

Блок схема экспериментального оборудования:

Результаты: 

Измерение и интерпретация β-спектров вводят студента в область специальной теории относительности и слабых взаимодействий, лежащих в основе радиоактивных распадов.

Наблюдение β-спектра имеет ключевое значение для понимания теории β-распада. Исторически, экспериментальные β-спектры вызывали большие затруднения в интерпретации, поскольку, казалось, нарушался закон сохранения энергии. Введение нейтрино решило эту проблему, обеспечив соблюдение законов сохранения энергии, импульса и лептонного числа.

В рамках первого подхода к β-спектроскопии особенно интересно определить максимальную энергию (Emax), доступную в процессе распада, и убедиться, что наиболее вероятное значение энергии (E_avg) можно выразить как:

E_avg = 1/3 * E_max

Используя несколько β-источников, можно оценить различные значения Eavg, каждое из которых соответствует полной энергии, высвобождаемой при конкретном β-распаде.

На рисунке приведён пример спектра изотопа стронция-90 (⁹⁰Sr).

Для более детального анализа β-спектров рекомендуется ознакомиться с другими методическими материалами и примечаниями к применению.

Экспериментальный бета-спектр радиоактивного источника ⁹⁰Sr (стронций-90):