Учебный эксперимент: Измерение поглощения

Комплект оборудования:

Цель эксперимента:

Основная цель этого эксперимента — проверить поглощение космических лучей, проходящих через твердое вещество, и понять связанные с этим наблюдения о материале, через который прошли космические лучи.

Основа эксперимента:

Прежде чем достичь поверхности Земли, космические мюоны теряют энергию за счёт ионизации, а также через такие процессы, как тормозное излучение, рождение пар (e⁺ e⁻) и ядерные взаимодействия. Если детектор расположен внутри здания или под поверхностью земли, то регистрируемый поток мюонов уменьшается пропорционально толщине пройденной породы или материала:

−dE / dx = k (E) + b_b (E) E + b_p (E) E + b_nE

где коэффициенты bb(E)b_b(E)bb​(E), bp(E)b_p(E)bp​(E) и bnb_nbn​ пропорционально связаны с потерями энергии за счёт тормозного излучения, рождения пар и ядерных взаимодействий соответственно.

Интересными приложениями, использующими эффект поглощения космических лучей, являются мюонная радиография и томография.

Мюонная радиография и томография основаны на измерении степени ослабления высокоэнергетических мюонов при прохождении ими сквозь твёрдые объекты.

При правильной методике измерения эти технологии позволяют строить точные карты средней плотности исследуемого объекта.

Подобные методы находят применение в различных областях — от геофизики (исследование вулканов, пещер и т.д.) до контроля незаконного перемещения радиоактивных материалов и других задач.

Обычно средняя потеря энергии мюонов составляет примерно 1,7 МэВ на г·см². Таким образом, при прохождении через 1 км породы с плотностью 2 г/см³ мюоны теряют примерно 0,5 ТэВ энергии.

Проведение эксперимента:

Подключите кабельные разъёмы двух детекторов SP5622 к входам плитки на задней панели модуля SP5621. Включите модуль SP5621 и запустите сбор данных с помощью кнопки START на передней панели. Когда заряженная частица пересекает чёрную плитку, её энергия преобразуется в сцинтилляционное излучение. Образующиеся фотоны регистрируются фотосенсором и преобразуются в электрический сигнал. Количество срабатываний для каждого сцинтиллятора отображается на дисплее SP5621.

Выберите режим совпадений (coincidence mode) для двух сцинтилляторов с помощью соответствующей кнопки на передней панели, затем установите время интеграции измерения.

Перед началом сбора данных необходимо определить геометрию расположения плиток. Убедитесь, что эта геометрия сохраняется на протяжении всего эксперимента. Проведите сбор данных в пещере или внутри массивной конструкции. Затем повторите измерения вне пещеры или сооружения, сохранив идентичную геометрию расположения плиток.

Блок-схема экспериментальной установки:

Результаты эксперимента:

Студенты могут оценить степень поглощения, сравнивая результаты измерений, выполненных под землёй или внутри пещеры, с измерениями, проведёнными на открытом воздухе без каких-либо твёрдых препятствий. Кроме того, если известна толщина перекрывающего материала или конструкции, то можно сделать предположение о средней плотности этого материала.

Пример измерения поглощения был проведён в подвале здания. Как показано на графике, скорость счёта в подвале уменьшена на 14%: