Програма по дисциплината : Експериментална ядрена физика включена в учебния план на специалност: Физика, Инж физика



Дата09.04.2018
Размер194.08 Kb.

СОФИЙСКИ УНИВЕРСИТЕТ “СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ”

ФИЗИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ



Утвърдена с Потокол на ФС № ……/ …………..

Декан:

/доц.д-р Д.Мърваков/

УЧЕБНА ПРОГРАМА


ПО ДИСЦИПЛИНАТА : Експериментална ядрена физика

ВКЛЮЧЕНА В УЧЕБНИЯ ПЛАН НА СПЕЦИАЛНОСТ: Физика, Инж.физика

СТЕПЕН НА ОБУЧЕНИЕ: бакалавър

КАТЕДРА: Атомна физика

ИЗВАДКИ ОТ УЧЕБНИЯ ПЛАН

Вид на занятията

Семестър


Хорариум-часа

Седмично


Хорариум-часа

Общо


Лекции

VІІ

3

45

Семинарни упражнения

-

-

-

Практически упражнения

VІІ

6

90

Общо часа




9

135

Форма на контрол

Заверка на протоколи, изпит




АНОТАЦИЯ


Целта на курса е да запознае студентите с основните съвременни методи на ядрената спектроскопия, постановка, техника и първична обработка на данните от ядрено-физични експерименти при ниски енергии, както и придобиването на практични умения за тяхното използване.

Основно внимание в курса се обръща на взаимодействието на ядрените лъчения с веществото, спектрометрични детектори на ядрени лъчения и свързаната с тях ядрено-физична апаратура, калибровки, първична обработка и интерпретация на спектрометричната информация. Разглеждат се методите на гама-спектрометрия, магнитна бета-спектрометрия, измерване на времена в ядрената физика и тяхното приложение за определяне характеристиките на преходите и на възбудените състояния в ядрата и построяване схеми на разпадане. В курса и практикума към него са включени и раздели, касаещи приложенията на ядрено-физичните методи в редица други области на научните изследвания и практиката.



СЪДЪРЖАНИЕ НА УЧЕБНАТА ПРОГРАМА:

ЛЕКЦИИ




Тема

Брой
часове

І. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ТИПОВЕТЕ РАЗПАД

1

І.1. Ядрата като силно свързана система от нуклони. Капков модел на ядрото. Формула на Вайцзекер. Типове разпад. Граница на стабилност. Карта на изотопите. Бета-разпад. Енергия на бета-разпада и енергия на връзка. Аналитичен вид на линията на стабилност. Алфа-разпад. Условие за алфа-разпад. Оценка на енергиите Е. Спонтанно делене. Енергетично условие за спонтанно делене. Граници на стабилност по делене.

3 часа

ІІ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ЛЪЧЕНИЯТА С ВЕЩЕСТВОТО

2

ІІ.1. Взаимодействие на гама-кванти с веществото. Обща характеристика на гама-излъчването. Фотоефект. Кинетична енергия на фотоелектроните. Сечение за фотоефект. Ъглово разпределение на фотоелектроните. Атомни ефекти, които следват след фотоефект. Разсейване на гама-кванти. Ефект на Комптон. Енергия на разсеяния гама-квант. Диференциално сечение за Комптоново разсейване. Пълно сечение за Комптоново разсейване. Раждане на двойка електрон - позитрон. Енергетика. Пълно сечение за раждане на двойка в полето на ядрото. Явления след раждане на двойки (в детектора). Детектори на порой. Пълен коефициент на поглъщане на гама-кванти. Ход на пълното сечение с енергията на гама-квантите. Кохерентно разсейване на гама-кванти. Диференциално сечение за кохерентно разсейване.

3 часа


3

ІІ.2. Взаимодействие на заредени частици с веществото. Общи характеристики на взаимодействията. Тежки заредени частици (алфа). Йонизационни загуби. Пробег. Крива на Бряг. Делта-електрони. Ръдърфордовско разсейване. Сечения за Ръдърфордовско разсейване. Взаимодействие на електрони с веществото. Йонизационни загуби. Пробег на моноенергетични електрони. Поглъщане на бета-частици с непрекъснат енергетичен спектър. Обратно разсейване. Ръдърфордовско разсейване. Радиационни загуби на енергия на заредени частици. Спирачно лъчение. Спектър и ъглово разпределение на спирачното лъчение. Ефект на Черенков. Спектрален състав и интензитет.

4 часа


ІІІ. ДЕТЕКТОРИ НА ЯДРЕНИ ЛЪЧЕНИЯ. Общ преглед и класификация на детекторите.

4

ІІІ.1. Сцинтилационни детектори. Сцинтилатори и сцинтилационен процес. Неорганични сцинтилатори. Сцинтилационен процес: генерационен, миграционен, вътрешноцентрови етапи. Енергетичен добив. Квантов добив. Приложения. Органични сцинтилатори. Сцинтилационен процес. Видове органични сцинтилатори. Правила за съставяне на многокомпонентни органични сцинтилатори. Приложения. Фотоелектронни умножители. Фотокатоди. Квантова ефективност. Динодни системи. Коефициент на вторична емисия. Общо усилване. Делител на ФЕУ. Изходяща амплитуда на импулса. Разделителна способност по енергии. Шумове на ФЕУ. Канални електронни умножители. Форма на импулса от сцинтилационен детектор. ФЕУ за временни измервания. Регистрация на свободни електронни антинеутрино - експеримент на Рейнис и Коуен

4 часа


5

ІІІ.2. Полупроводникови детектори. Сведения от зонната теория на полупроводниците. Собствена проводимост. Примесна проводимост. Компенсация на примесната проводимост. Преобразуване на енергията на първичната заредена частица в двойка носители. Етапи. Флуктуации на двойките. Разделителна способност по енергии. p-n и p-i-n преход в електрично поле. Зарядочувствителни предусилватели с полеви транзистор. Форма на импулса от ЗЧПУ. Технология и конструкция на полупроводниковите детектори. Коаксиални детектори за гама-лъчение. Повърхностно-бариерни Si(Au) детектори за заредени частици. Зависимост на сигнала от dE/dx. Полупроводников бета-спектрометър.

4 часа


ІV. МЕТОДИ В ЕКСПЕРИМЕНТАЛНАТА ЯДРЕНА ФИЗИКА.

6

ІV.1. Гама-спектрометрия. Спектрометричен тракт, блок-схема. АЦП. Параметри на гама-линията: позиция, площ, полуширина, грешки. Критерий за откриваемост на линия. Калибровка по енергии, по ефективност. Геометрия Маринели. Аналитична линия. Разработка на сложен гама-спектър. Апаратурен спектър на единична високоенергетична линия. Правила за разработка на сложни схеми на разпадане. Неидентифицирани линии. Сумирани съвпадения. Баланс на енергии и интензитети. Ниски активности. Защита на детектора. Понятие за активационен анализ. Целотелесна активност на човек.

4 часа


7

ІV.2. Специални методи за гама-спектрометрия. Кристал-дифракционни гама-спектрометри. Спектроскопичтни нормали. Плосък кристал. Принцип на действие на кристал-дифракционните гама-спектрометри. Разделителна способност по енергии. Кристал-дифракционни гама-спектрометри от фокусиращ тип с огънат кристал (по Дюмонт и по Кошуа). Ширина на дифракционната линия. Обща светосила

2 часа

8

ІV.3. Магнитна бета-спектрометрия. История. Основни съотношения и параметри на бета-спектрометрите: входяща апертура, светосила, разделителна способност по импулси, отношение T/R. Класификация на бета-спектрометрите. Спектрограф с полукръгова фокусировка Даниш. Принцип на полукръговата фокусировка. Базисно разрешение. Форма на линията. Конструкция. Характерни особености. Бета-спектрометър с двойна фокусировка на ъгъл 2. Устройство. Принцип на двойната фокусировка. Безжелезни спектрометри с двойна фокусировка на 2. Особености. Секторни бета-спектрометри. "Портокал". Винтови спектрометри. Бета-спектрометър с "дълга леща". "Кръгов фокус" при лещовите бета-спектрометри. Конструктивни решения. Източници и детектори в бета-спектрометрията.

4 часа


9

ІV.4. Измерване на времена в ядрената физика. Закон за радиоактивното разпадане. Естествена ширина на линията. Парциален период на полуразпадане. Права и обратна задача. Методи за измерване на дълги времена на живот. Метод на специфичната (тегловна) активност. Спонтанно делене на 238U. Двоен бета-разпад. Радиовъглероден метод. Други методи за датиране. Методи за определяне на средни времена на живот. Измерване на Т1/2 от порядъка на части от секундата до няколко години. Свързани разпади. Движеща се мишена. Къси времена на живот. Метод на закъснелите съвпадения. Прости двойни съвпадения. Закъсняващи съвпадения. Закъсняващи съвпадения с отбор по амплитуда. Многоканални временни анализатори. Обработка на временен спектър. Физически методи за измерване на къси времена. Метод на откатните ядра - време на прелитане. Доплерово отместване на енергията на гама-квантите. Метод на плунжера. Метод на отслабване на Доплеровото отместване. Ефект на сенките.

4 часа


V. ЯДРЕНА СПЕКТРОСКОПИЯ

10

V.1. Бета-разпад. Характерни особености на бета-разпада. Експериментални факти. Лептони. Лептонен заряд. Понятие за теорията на бета-разпада. Правила за отбор за разрешените бета-преходи. Фермиевски преходи, Гамов-Телеровски преходи. Форма на бета-спектъра. График на Кюри. Маса на покой на неутриното. Приведен период на полуразпадане ft на бета-преходите. Класификация на бета-преходите. Правила за отбор. Константа на слабото взаимодействие.

3 часа


11

V.2. Гама-преходи в ядрата и ядрени модели. Закони за съхранение при гама-излъчването. Правила за отбор. Енергия на прехода. Момент на количество на движение. Четност. Вероятности за преходи. Ядрена изомерия - М4 преходи. Слоист модел на ядрото. Аналогови състояния в леките ядра. Огледални ядра. Зарядова независимост на ядрените сили. Е2-преходи и ротационни състояния. "Ускоряване" на Е2-преходите. Построяване на сложни схеми на разпадане.

3 часа


12

V.3. Вътрешна конверсия и коефициент на вътрешна конверсия. Физическа същност. 0  0 преходи. Енергия на конверсионните електрони. Коефициенти на вътрешна конверсия. Зависимост на КВК от характеристиките на прехода. Зависимост от енергията. Зависимост от Z. Зависимост от типа и мултиполността. Отношение K/L, LI/LII, LII/LIII и др. Експериментално определяне на КВК. Процеси, съпровождащи вътрешната конверсия. Естествена ширина на конверсионната линия. Резонансни детектори за Мьосбауеровата спектроскопия. Параметри.

3 часа


VІ. ЯДРЕНИ МЕТОДИ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВЕЩЕСТВОТО

13

VІ.1. Ефект на Мьосбауер. Мьосбауерова спектроскопия. Оптично резонансно разсейване. Форма на линията. Излъчване на свободни ядра - откат. Резонансно безоткатно поглъщане . опит на Мьосбауер. Вероятност за безоткатно поглъщане. Модел на Дебай. Модел на Айнщайн. Параметри на Мьосбауеровата линия. Изомерно (химическо) отместване. Зависимост от s-електронната плътност. Квадруполно разцепване. Градиент на електричното поле. Магнитно свръхфино взаимодействие. Магнитно разцепване - вътрешнокристални полета. Техника на Мьосбауеровия експеримент. Спектрометри с постоянна скорост и ускорение. Детектори. Експериментални геометрии - на пропускане, на разсейване. Мьосбауерова конверсионна електронна спектрометрия. Дълбочинно-селективна Мьосбауерова спектрометрия. Приложения.

4 часа

ПРАКТИЧЕСКИ УПРАЖНЕНИЯ




тема

Брой

часове


1

Уводно занятие. Инструктаж по техника на безопасността. Запознаване с използваната техника - детектори, ядрено-физична апаратура.

6 часа


2

Градуировка и измерване с едноканален амплитуден анализатор със сцинтилационен детектор. Калибровка на спектрометъра по енергии с 57Co, 133Ba, 137Cs, 60Co. Постояване на калибровъчната права. Определяне на разделителната способност по енергии по линията на 137Cs. Снемане спектъра на 226Ra. Определяне енергиите на фотопиковете. Определяне на активността на 214Bi.

6 часа


3

Комптоново разсейване на гама-кванти. Ъглови зависимости. Калибровка на спектрометъра по енергии с 57Co и 137Cs. Снемане на линиите на комптоново разсеяните гама-кванти от 137Cs при различни ъгли. Построяване на зависимостта на енергията и интензитета на разсеяните гама-кванти от ъгъла на разсейване. Сравняване на експериментално получените данни с теоретично пресметнатите.

6 часа

4

Форма на бета-спектър. График на Ферми-Кюри. Изследване на бета-спектъра на 137Cs посредством сцинтилационен детектор със стилбенов кристал. Калибровка на спектрометъра по енергии по конверсионните линии на 207Bi. Набиране на бета-спектъра на 137Cs. Определяне на разделителната способност по енергии по конверсионната линия на 137Cs. Коригиране на експерименталния бета-спектър за гама-излъчването на 137Cs. Построяване на графика на Ферми-Кюри и определяне на максималната енергия на бета-спектъра на 137Cs.

6 часа


5

Гама-спектрометър с висока радселителна способност с HpGe детектор. Обработка на сложен гама-спектър. Калибровка на спектрометъра по енергии с 226Ra. Набиране на спектъра на 152Eu. Определяне на енергиите на гама-линиите. Определяне на интензитета на гама-линиите по площта и кривата на ефективност на детектора. Отнасяне на гама-преходите към схемите на разпад на 152Sm и 152Gd. Определяне на коефициента на вътрешна конверсия на прехода 122 keV по баланса на интензитетите.

6 часа


6

Изследване каскадни гама-преходи посредством два сцинтилационни спектрометъра и многомерен анализатор в режим на съвпадения "амплитуда-амплитуда". Блок-схема на постановката и принцип на действие. Каскадни гама-преходи в ядрото на 60Ni. Набиране на единични амплитудни спектри в двата канала. Набиране на повърхнината на съвпаденията. Построяване на разрези на повърхнината на съвпадения. Оценка на приноса на случайните съвпадения.

6 часа


7

Ъглова гама-гама корелация в ядрото на 60Ni. Построяване на кривата на истинските мигновени съвпадения в зависимост от закъснението в канал 2 с източник 22Na при различни разделителни времена на схемата на съвпадение. Определяне разделителното време на схемата на съвпадение. Измерване на некоригираните съвпадения и случайните съвпадения за източник 60Co при различни ъгли. Построяване на кривата на ъгловата корелация. Определяне на коефициентите на ъгловата корелация и сравняване с теоретично пресметнатите.

6 часа


8

Времена на живот на възбудени ядрени състояния. Измерване времето на живот на нивото 14,4 keV в ядрото на 57Fe с многоканален временен анализатор. Калибровка на многоканалния временен анализатор. Набиране на нормален временен спектър и на спектъра на случайните съвпадения. Определяне на периода на полуразпадане на нивото 14,4 keV. Определяне на естествената ширина на линията. Определяне на относителната ширина на линията.

6 часа


9

Снемане на алфа-спектри с повърхностно - бариерен полупроводников детектор. Идентификация и определяне на концентрациите на изотопите. Снемане на алфа-спектъра от "микс" източник, съдържащ 239Pu, 241Am, 244Cm. Калибровка на спектрометъра по енергии по главните линии на 239Pu и 244Cm. Определяне на енергиите на фината структура на алфа-линията на 241Am . Определяне на процентното съдържание на 241Am и 244Cm спрямо 239Pu по площта на линиите и периодите на полуразпадане.

6 часа


10

Преминаване на тежки заредени частици през веществото. Йонизационни загуби на алфа-частици във въздух. Построяване кривата на Бряг с повърхностно-бариерен детектор. Набиране на спектрите на алфа-частици след определен пробег във въздух. Калибровка по енергии. Определяне на остатъчните енергии. Пресмятане на крайните разлики Е/х и простояване на кривата на Бряг.

6 часа

11

Спонтанно делене на 252Cf. Определяне на асиметрията и средните маси на фрагментите. Парциален период на полуразпадане по спонтанно делене. Снемане на енергетичния спектър на фрагментите на делене на 252Cf. Калибровка по енергии. Определяне на енергиите на лекия и тежкия фрагмент. Определяне на сумарната кинетична енергия на делене и сравняване с теоретично пресметнатата. Определяне на коефициента на асиметрия. Определяне на най-вероятните масови числа на лекия и тежкия фрагмент. Снемане на алфа-спектъра на 252Cf. Определяне на парциалния период на полуразпадане по спонтанно делене при известен парциален период на полуразпадане по алфа и площите на линиите на алфа-частиците и фрагментите.

6 часа

12

"+ - + - е+" експеримент. Анализ на разпадите на пиони и мюони във водородна мехурчеста камера. Принцип на действие на водородна мехурчеста камера. Идентификация на събития + - + - е+ разпади. Измерване от снимките на проекции на дължини на мюонни следи и радиуси на кривини на позитронни следи. Определяне на масата на покой на -мезона. Определяне на масата на покой на -мезона.

6 часа

13

Ефект ва Мьосбауер. Определяне на относителното изменение на радиуса на ядрото R/R за 119Sn при преход от основно в първо възбудено състояние. Калибровка на спектрометъра по скорости с използване на FeSО4.7H2O. Снемане на спектрите на CaSnO3 и SnS. Определяне на позициите на линиите на CaSnO3 и SnS и пресмятане на  и . От известната зависимост на електронната плътност и изомерното отместване се определя R/R.

6 часа

14

Ефект на Мьосбауер. Определяне на магнитния момент на първото възбудено състояние на ядрото 57Fe. Определяне на ефективното магнитно поле в мястото на ядрото. Калибровка на спектрометъра по скорости с FeSO4.7H2O. Снемане на спектъра на -Fe. Определяне на позициите на линиите и изомерното отместване . Определяне на магнитния момент на възбуденото състояние. Определяне на ефективното магнитно поле.

6 часа

15

Изследване на проба с техногенно радиоактивно замърсяване с полупроводников гама-спектрометър. Идентификация на радионуклидите. Определяне на активността на радионуклидите.

6 часа



В. Формата на контрол е: изпит, заверка на протокол

Изпитът се полага пред двама преподаватели - лектора на курса и водещия практикума за съответната група. При оформяне на оценката се взема предвид мнението на преподавателя за работата на студента в практикума.

Студентите изтеглят и развиват две теми от конспекта, като им се дава право да ползват всякаква литература, включително и записките по курса. По време на изпита те трябва логично и задълбочено да обяснят развитите теми, както и да отговорят на 5 до 10 кратки допълнителни въпроси, които покриват практически целия преподаван материал.

Този начин на изпитване снема напълно проблема с преписването и позволява да се оцени логичното усвояване на материала и способността за самостоятелно мислене и опериране с него.

Практикумът се провеждат индивидуално от всеки студент. Преди пускането на упражнението студентът бива изпитван, след което получава необходимите за изпълнението на задачите инструкции. Всеки студент разполага с индивидуален екземпляр от Ръководството за лабораторните упражнения. Упражнението се счита за изработено след представяне и заверка на протокол.

Основна литература:

1. И.Манджуков "Записки по експериментална ядрена физика", (всеки студент получава персонален екземпляр за подготовка).

2. И.Манджуков, Ръководство за лабораторни упражнения по експериментална ядрена физика, изд. СУ, 1980, преработено и актуализирано 1996 г.

Допълнителна литература:

1. К.М.Мухин, "Експериментальная ядерная физика", т.І, "Физика атомного ядра", Атомиздат, 1983.

2. Гопыч, Залюбовский, "Ядерная спектроскопия" изд. Харковски университет, 1980.

3. Абрамов, Казанский, Матусевич, "Основы экспериментальных методов ядерной физики", Атомиздат, 1977.

4. Михайлов, Крафт, "Ядерная физика", изд. ЛГУ, 1988.

5. Ляпидевский, "Методы детектирования излучений", Энергоатомиздат, 1987.

6. "Альфа- бета- и гамма-спектроскопия", под ред. Кай Зигбан, в 4 тома, Атомиздат, 1969.

7. Серия от 4 тома под ред. Люк Юан и Ву Цзян-сюн, изд. Ин.лит., 1962-65,

"Принципы и методы регистрации элементарных частиц";

"Методы измерения основных величин ядерной физики";

"Измерение характеристик ядерних реакции и пучков частиц";

"Методы определения основных характеристик атомных ядер и элементарных



частиц"
Съставил програмата:

Дата:…………….. /доц. д-р ИванМанджуков/


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница