Вивченння оптичного квантового генератора

РОБОТА 5.5. ВИВЧЕНННЯ ОПТИЧНОГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Мета роботи: вивчити принцип дії квантового генератора на при- кладі гелій-неонового лазера і дослідити монохроматичність, когерент- ність, направленість та поляризацію лазерного випромінювання.

Прилади та обладнання: оптична лава, на якій встановлено ге-

лій-неоновий лазер ЛГН-105, поляроїд, екран із щілиною, дифракцій- на решітка, екран з двома щілинами, суцільний екран (аркуш білого паперу), лінійка.

Оптичним квантовим генератором (лазером) називають прилад, в якому здійснюється генерація монохроматичних електромагнітних хвиль оптичного діапазону в результаті вимушеного (індукованого) випромінювання.

Активним елементом гелій-неонового лазера є газорозрядна

трубка з внутрішнім діаметром 1−10 мм і довжиною до 1,5−2 м. Її за- повнено гелієм з домішкою неону (тиск гелію − I мм. рт. ст., тиск не- ону − 0,1 мм. рт. ст.). Схему лазера наведено на рис. I.

  

Рис. 1

Схема лазера: 1 – трубка; 2,2` – віконця Брюстера; 3,3` – дзеркала; 4,4`

– електроди; 5 – блок живлення

На електроди трубки подають змінну напругу високої частоти або високу (1−2 кВ) постійну напругу, що збуджує газ до світіння − це електричне накачування лазера (накачуванням називають процес на- дання робочій речовині лазера енергії для переведення атомів у збу- джений стан). У трубці створюється газорозрядна плазма, що склада- ється з електронів та іонізованих атомів гелію та неону. Спрощену схему енергетичних рівнів гелію та неону наведено на рис.2.

Розігнані електричним полем електрони зіштовхуються з ато- мами неону та гелію і збуджують їх відповідно до рівнів 3 та 4. Через метастабільність рівня 4 гелію відбувається накопичення збуджених атомів гелію. Знаходячись у метастабільному стані протягом часу 10-2 с, атоми гелію беруть участь у тепловому русі і час від часу зіштов- хуються з атомами неону. Особливість спектрів гелію та неону поля- гає в тому, що метастабільний рівень 4 гелію та метастабільний рівень

3 неону мають близькі значення енергії. Тому при зіткненнях збудже- ні атоми гелію передають енергію збудження незбудженим атомам неону, переводячи їх на рівень 3 і цим самим додатково збільшуючи заселеність цього рівня. У результаті це дає інверсію заселеностей рівнів 2 та 3, оскільки рівень 2 через малий час життя (порядку 10-8 с) практично порожній. Так у трубці створюється активне середовище

− сукупність збуджених атомів неону. Спонтанний перехід 3 → 2 де- яких атомів неону призводить до лавиноподібної генерації фотонів з енергією 1,94 еВ. Їй відповідає довжина хвилі λ = 632,8 нм (червона лінія неону). Отже, гелій є накопичувачем енергії збудження, а неон − джерелом вимушеного випромінювання.

Рис. 2

Для того, щоб активне середовище стало генератором світло- вих хвиль, потрібен зворотний зв'язок. А саме, необхідно, щоб час- тина світла, яке випромінюється, весь час знаходилась у зоні активно- го оередовища і викликала вимушене випромінювання все нових і но- вих атомів. Для цього активне середовище лазера розміщується між двома дзеркалами, обернутими одне до одного; одне з дзеркал непро- зоре, друге − частково прозоре (див. рис. 1). Тоді промінь світла, бага-

торазово відбиваючись від дзеркал, буде проходити багато разів через активне середовище, підсилюючись кожного разу в результаті виму- шених переходів атомів з вищого енергетичного рівня на нижчий (пе- реходи 3→2 на рис. 2).

Для електромагнітних хвиль система дзеркал 3 та 3' є резона-

тором. Цей резонатор не тільки підсилює світло, але і забезпечує йо- го сувору монохроматичність і гостру направленість лазерного променя.

Високий ступінь направленості лазерного променя обумовлений великим відношенням відстані між дзеркалами 3 і 3' до діаметра труб- ки. До того ж багаторазово пройти через активне середовище та під- силитись можуть лише промені, що розповсюджуються під дуже ма-

лими кутами до осі трубки або є паралельними осі. Інші ж промені врешті − решт потрапляють на бокову поверхню трубки, де вони роз- сіюються або виходять назовні. У гелій-неоновому лазері реальне роз- ходження пучка становить, як правило, одну-дві кутових мінути.

При якісних відбиваючих поверхнях дзеркал лазер дає дуже тон- ку, практично монохроматичну лінію.

Випромінювання лазера є лінійно поляризованим. Поляризація

забезпечується тим, що розрядна трубка замкнута з торців плоскопа- ралельними скляними (або кварцевими) пластинами (вікнами), зорієн- тованими так, що світло падає на них під кутом Брюстера θ. На рис.

1 справа показано, що коливання електричного вектора у випроміню- ванні лазера відбуваються в площині рисунка.

Випромінювання лазера є когерентним. Його когерентність обумовлена тим, що вимушено випромінене світло є суворо узгодже- ним з вимушуючим світлом і не відрізняється від нього.

Гелій-неоновий лазер описаного типу працює в неперервному режимі, тому пучок його світла має невелику потужність – усього де- кілька мілівольт. Однак потужність випромінювання лазерів інших

−9

типів, що працюють у режимі коротких (~10

с) імпульсів, може

досягати 1010 Вт і більше. Лазери широко використовуються в науці, техніці, медицині. Завдяки відкриттю лазера створено голографію (го- лографія − метод отримання об'ємних зображень).

Порядок виконання роботи

УВАГА! ЛАЗЕРНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ, НАВІТЬ ВІДБИТЕ ВІД СТІН, НЕБЕЗПЕЧНЕ ДЛЯ ЗОРУ. ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ ЛАЗЕРА ПОВИННО БУТИ ЗАЗЕМЛЕНИМ. ПІД ЧАС РОБОТИ 3 ЛАЗЕРОМ БІЛЯ УСТАНОВКИ ПОВИННО ЗНАХОДИТИСЬ НЕ МЕНШЕ ДВОХ ЧОЛОВІК.

1. Включають тумблер на щитку живлення лазера. Через 1−2 хв з'являється світіння червоного кольору. Якщо воно періодично гасне, то збільшують значення розрядного струму.

2. Визначають експериментально довжину хвилі випромінювання лазера, використовуючи методику, описану в роботі 5.3, і наведену там робочу формулу (4). Переконуються в тому, що спектр випромі- нювання лазера містить тільки одну лінію. Порівнюють отримане зна- чення довжини хвилі з наведеним вище.

3. Визначають кутову розбіжність пучка випромінювання. Для

цього направляють промінь на екран (аркуш білого паперу), закріпле- ний на відстані кількох метрів на стіні, вимірюють діаметр плями Д1 і відстань L1 від екрана до лазера. Потім розміщують екран на відстані

30−40 см від лазера і знову вимірюють відстань L2 від екрана до ви- промінюючого кінця трубки та діаметр плями Д2. Використовуючи формулу

? = Д1 − Д2,

L1 − L2

визначають кут розбіжності пучка випромінювання ? в радіанах і пе-

реводять результат у кутові мінути.

4. Досліджують поляризацію лазерного випромінювання. Для цього пропускають випромінювання лазера через поляроїд, встанов-

лений між лазером та екраном. Обертаючи поляроїд навколо напрям-

ку світлового пучка, можна домогтися практично повного згасання світлової плями на екрані. Переконуються в тому, що при повному обороті поляроїда світлова пляма двічі гасне. Це свідчить про те, що випромінювання лазера є лінійно поляризованим,

5. Розраховують максимальне значення густини потужності ви-

промінювання досліджуваного лазера за формулою:

j = P,

S

де Р − паспортне значення потужності лазера (для ЛГН-105 Р =1мВт).

Площу перерізу пучка розраховують за формулою:

πa2

S =

,

4

де а − діаметр перерізу пучка (його вимірюють). Виражають розрахо- вану величину j у Вт/см2 і порівнюють її з гранично допустимим для

ока значенням jгран. Для лазерів, що працюють у неперереному режи-

мі, jгран. =

2,7 ⋅10−7

Вт/см2.

вань.

Запитання для самоконтролю

1. Опишіть властивості спонтанного та вимушеного випроміню-

2. Що таке резонансна частота?

3. Поясніть зміст термінів “інверсія заселеностей" та “накачу-

вання”.

4. Опишіть, як саме активне середовище генерує і підсилює світ-

ло.

5. Опишіть принцип роботи гелій-неонового лазера.

6. Сформулюйте закон Брюстера та дайте рисунок із зображен-

ням напрямків коливань електричного вектора у відбитому та залом- леному променях.

7. Перерахуйте властивості лазерного випромінювання і пояс- ніть, чим кожна з них обумовлена.

8. Перерахуйте відомі вам використання лазерів.

РОЗДІЛ 7. АТОМНЕ ЯДРО

РОБОТА 7.1

ВИЗНАЧЕННЯ АКТИВНОСТІ РАДІОНУКЛІДА

Мета роботи: визначити активність радію-226 радіометром СРП-68.

Принцип дії радіометра СРП-68

Радіометр СРП-68 (сцинтиляційний геологорозвідувальний при- лад) призначений для пошуку радіоактивних руд за їх γ- випроміню- ванням.

Радіометр вимірює потужність експозиційної дози D (шкала мкР/год) і потік γ- випромінювання радіоактивних речовин n (шкала с-1).

Радіометр складається з двох основних блоків:

1) вимірювального пульта ВП;

2) блока детектування БД, з’єднаних кабелем (рис.1).

Радіонуклід знаходиться в передній частині ВП під закрученим ков- пачком.

БД ВП

226 Ra мк

Підси- лювач

ФЕП

NaI(Tl)

Інтегратор

імпульсів

-1

С год

Блок живлення 13,5 В

Рис. 1

У блоці детектування розміщені кристал-сцинтилятор NaI, акти- вований талієм (Tl) і фотоелектронний помножувач (ФЕП) з підсилю- вачем, які розміщені всередині циліндричного кожуха. Світлові сиг- нали, що виникають у сцинтиляторі під дією радіоактивного випромі- нювання, перетворюються ФЕП в електричні і через підсилювач по кабелю йдуть на вхід інтегратора імпульсів ВП. У ВП імпульси, що надходять сумуються в неперервний струм, пропорційний швидкості лічення імпульсів, який реєструється мікроамперметром.

Шкала приладу проградуйована в одиницях потоку γ- випромі-

-1

нювання від 0 до 10000 с

3000 мкР/год.

і потужності експозиційної дози від 0 до

Експериментально установлено, що γ- випромінювання не є самостій- ним видом радіоактивності. Воно супроводжує процеси α- і β- розпа- дів і не викликає зміни заряду і масового числа ядер.

γ- випромінювання випускається дочірніми ядрами, які в момент свого утворення виявляються збудженими. Надлишок енергії збудже- них ядер звільняється у вигляді γ- випромінювання, яке являє собою короткохвильове електромагнітне випромінювання з гранично малою довжиною хвилі λ≤0,01нм і внаслідок цього – чітко вираженими кор- пускулярними властивостями, тобто є потоком частинок – γ- квантів (фотонів).

На практиці зручно визначати активність радіоактивного нуклі- да за потоком γ- випромінювання, враховуючи, що одному акту роз- паду ядра відповідає виліт одного γ- кванта (фотона).

Для потужності експозиційної дози γ- випромінювання, як і для будь-якого електромагнітного випромінювання, має місце закон:

D = K

  ,

γ

⋅ a r2

, (1)

де а – активність радіонукліда; r – відстань від джерела випроміню-

γ

вання до детектора; К

- постійна, яка визначає тип радіонукліда,

рівна потужності експозиційної дози γ- випромінювання від точкового джерела з одиничною активністю на одиничній відстані від нього. Для радію-226

Кγ = 8,4⋅10

мкР⋅см /год⋅мKі.

Порядок виконання роботи

1. Підключають радіометр до джерела живлення. Переводять нижній перемикач ВП у положення “БА”, потім через 1−3хв у поло- ження “2,5” (робочий режим радіометра).

2. Визначають радіометром природний радіаційний фон, обумо- влений космічною та земною радіацією. Для цього розташовують ВП

на максимальну відстань від БД. Верхній перемикач діапазонів ВП переводять на мінімальну границю потужності експозиційної дози (шкала – мкР/год) і через кожні 5с записують 3−5 показів мікроампе- рметра. Дані заносять у табл.1. Розраховують <Dф>.

3. Зменшуючи через 2см (починаючи з 10−15см) відстань між радіонуклідом і детектором, вимірюють потужність експозиційної до-

зи D′ для кожного r. Як і в п.2 для кожного r (6 – 8 точок) записують

3−5 показів і розраховують < D′ >. Дані заносять у табл.1.

4. Віднімаючи “фон” від < D′ >, визначають потужність експо- зиційної дози випромінювання радіонукліда для кожного r:

D = < D′ > - < Dф >.

Заносять дані до табл.2.

5. За експериментальними даними будують графік залежності D

).

від r -2, що характеризує закон (1) (відповідно осі: у = D, х = r -2

З цього графіка за двома довільними точками, максимально віддале- ними одна від одної, розраховують кутовий коефіцієнт В:

В=у2-у1/х2-х1.

Середнє значення активності радіонукліда знаходимо за формулою:

?

< a > = В/Кγ.

ф

6. Розраховують довірчі границі D

γ ⋅I

і ?D ′

за формулою:

? = гр

100,

де γ – клас точності приладу; Ігр. – граничне значення відповідної виб- раної шкали мікроамперметра.

Таблиця 1

№ п/п	Результати прямих вимірювань
мкР Dф, год	мкР D′, год
r=	r1=	r2=	…	rn=

Таблиця 2

№ п/п	Табличні величини та результати прямих вимірювань	Результати непрямих вимірювань
Кγ, мкР ⋅cм 2 год ⋅ мКі	r, см	r -2, см-	мкР D, год	В, мкР год ⋅см 2	а, мКі
c	-		-	-	-	-
	–				–	–
		–	–	–
?, P
ε

7. Розраховують довірчі границі та відносні похибки одного із резуль- татів вимірювань:

?

D

D

= ? + ?

ф D′;

?D

ε D = D;

D

ε = ε + ε

a Kγ

+ 2εγ;

a = ε a ⋅ <

?

A >.

Примітка. Щоб зменшити похибку вимірювань, треба підібрати оптимальний режим вимірювань так, щоб покази мікроамперметра були не менше 1/3 усієї шкали.

Після закінчення вимірювань нижній перемикач ВП переводять у положення “вимк.”, а верхній – в нейтральне положення. Відключа- ють прилад СРП-68 від загального джерела живлення.

Запитання для самоконтролю

1. Опишіть будову атомного ядра. Що таке ізотопи, радіонукліди?

2. Що являє собою явище радіоактивності?

3. Назвіть і охарактеризуйте види радіоактивного випроміню- вання.

4. Сформулюйте і запишіть закон радіоактивного розпаду, дайте

визначення сталої радіоактивного розпаду λ і періоду піврозпаду Т1/2.

5. Що таке активність радіонукліда? За яким законом змінюєть- ся з часом активність? Назвіть одиниці вимірювання активності.

6. Дайте визначення поглинутої і біологічної доз іонізуючого випромінювання. Визначіть їх одиниці вимірювання.

7. Що називається експозиційною дозою випромінювання, які її

одиниці вимірювання? Дайте визначення рентгена.

РОБОТА 7.2

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОГЛИНАННЯ

γ - ВИПРОМІНЮВАННЯ

Мета роботи: вивчити умови захисту від випромінювання, до- слідити залежність потоку γ - випромінювання від товщини захисту, визначити коефіцієнт поглинання µ і півпоглинаючу товщину dn речо- вини.

Зменшення дози опромінення від радіоактивних речовин може

бути досягнуте: 1) зменшенням часу перебування в зоні дії випромі- нювання; 2) збільшенням відстані від джерела випромінювання; 3) за- стосуванням захисних екранів.

У даній роботі вивчаються умови захисту від γ - випромінюван- ня. γ - випромінювання, будучи найбільш жорстким (короткохвильо- вим) електромагнітним випромінюванням, є одним з найбільш прони- каючих випромінювань. γ–кванти, маючи нульову масу спокою, не можуть гальмуватися в середовищі. Тому при проходженні γ– випромінювання крізь речовину вони або поглинаються, або розсію- ються нею. γ–кванти не несуть електричного заряду і тому не зазна- ють впливу кулонівських сил. Отже, вони викликають в основному тільки іонізацію і збудження атомів речовини, а тому радіаційна дія на біологічні об’єкти γ– випромінювання набагато менша, ніж корпуску- лярного (α-, β –випромінювання, потоків протонів, нейтронів).

Одним із ефективних засобів захисту від γ - випромінювання є захисні екрани із речовин з великим коефіцієнтом поглинання.

При проходженні пучка γ − квантів крізь речовину їх енергія не змінюється, але в результаті зіткнень (поглинання і розсіювання γ - квантів атомами речовини) послаблюється інтенствність пучка. Змен- шення інтенсивності γ − випромінювання в речовині описується екс- поненціальним законом:

I = Ioe

− µd

, (1)

де Io і І – інтенсивність γ − випромінювання на вході і виході шару по- глинаючої речовини товщиною d: µ – коефіцієнт поглинання, який за- лежить від хімічної природи поглинаючої речовини і від енергії γ - квантів. При d=1/µ інтенсивність випромінювання І порівняно з Іо зменшується в е=2,7раз.

Логарифмуючи вираз (1) знаходять:

ln(I0)

µ= I

d

. (2)

Шар dn речовини, який зменшує інтенсивність випромінювання в 2 рази, називається півпоглинаючою товщиною:

d

= lп2 = 0,693

n. (3)

µ µ

Оскільки швидкість підрахунку n імпульсів лічильником про- порційна інтенсивності І γ−випромінювання, на практиці знімають за- лежність числа імпульсів n, які реєструються лічильником за одиницю часу, від товщини поглинача d. Тоді коефіцієнт поглинання µ визна- чається за виразом

ln(п0)

µ= п

d

. (4)

Теоретичне вивчення процесів поглинання γ− випромінювання речовиною показує, що µ залежить від енергії γ−квантів і пропорцій- ний атомному номеру Z поглинача.

Тому при радіаційному захисті використовують для захисних

екранів матеріали з достатньо великим коефіцієнтом поглинання µ

(свинець, залізобетон).

У даній роботі визначають коефіцієнт поглинання для алюмінію і свинцю.

Порядок виконання роботи

1. Підключають радіометр СРП-68 до джерела живлення.

2. Мікроамперметр ВП переключають на вимірювання потоку

γ− випромінювання (шкала С-1).

3. Вимірюють природний радіаційний фон. Для цього установ- люють блоки БД і ВП на максимальну відстань, перемикач діапазонів

ВП переводять на мінімальну границю потоку і через кожні 5 с запи-

сують 3−5 показів мікроамперметра. Дані заносять у табл.1. Розрахо- вують середнє значення <nф>.

4. Установлюють блоки БД і ВП на відстань, рівну товщині кю- вети з поглинаючими пластинами.

Таблиця 1

№ п/п	Результати прямих вимірювань
nф, с -1	n′, c –1
do=	d1=	d2=	…	dn=
	<nф>	<n′o>

Таблиця 2

№ п/п	Прямі виміри	Результати непрямих вимірювань
d, мм	, c -1	< no > < n >	ln < no > < n >	µ, мм -1	d, мм
. . .	. . .				-	-
	-	-	-

5. Вимірюють потік γ−випромінювання n′o, без поглинача, запи- суючи 3−5 показів мікроамперметра через 5 с. Дані записують у табл.1 у колонку d0=0. Розраховують <n′o>.

6. Розташовують між БД і ВП кювету з поглинаючими пласти-

нами і вимірюють потік γ- випромінювання n′, як і в п.5 для різник то- вщин d (d1=2мм, d2=4мм,...). Результати заносять у табл.1. Розрахо- вують <n′>.

7. Для різних товщин поглинача d визначають середнє значення потоку:

= < n′ > - nф.

ln(п0) =

8. Будують графік залежності

п f(d). За кутовим ко-

ефіцієнтом В, знайденим із графіка за 2-ма довільними точками, мак- симально віддаленими одна від одної, визначають середнє значення

<µ>:

=

µ

y2 − y1

x2 − x1,

п0

де y = ln(

п),

x = d.

9. Розраховують півпоглинаючу товщину dn речовини за форму- лою (3) і вказують її на графіку.

Запитання для самоконтролю

1. Які існують види радіоактивного випромінювання, яка їх природа?

2. Які причини великої проникаючої здатності γ- випроміню- вання?

3. Опишіть закон поглинання радіоактивного випромінювання, охарактеризуйте величини, що входять у закон.

4. Сформулюйте фізичний зміст коефіцієнта поглинання. Від чо-

го залежить µ, в яких одиницях вимірюється коефіцієнт поглинання?

Дата добавления: 2014-01-05