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1、岩石与土壤放射性测量（理学院物理系 物理学）摘 要 盖革根据射线能使气体电离的性质制成一种计数管称为盖革米勒计数管。用盖革米勒计数管检测自然源的放射性水平，当带电粒子射入计数管的气体中，在离子增值的过程中，受激原子退激，发射紫外光子，这些光子射到阴极上产生光电子，光电子向阳极漂移，又引起离子增值，于是在管中形成自激放电，引起“雪崩”放电。一个带电粒子进入计数管，可以引起一次放电过程而产生一个电压脉冲信号而被记录。如果被探测的是射线，可以利用射线穿入计数管壁或金属阴极时，产生的次级带电粒子如光电子等进入计数管引起电离并产生输出脉冲。测量采用FH408自动定标器、高压电源、G-M计数管、前置放大器
2、等仪器组成计数器对石头和土壤等自然源进行放射水平测量，通过对比归纳总结得出其放射性水平。关键词：近代物理、核探测技术及应用、盖革米勒计数器AbstractAccording to Geiger ray can make the gas ionization properties into a tube called the Geiger - Miller counter tube. Geiger - Miller counter tube detecting natural source of radioactivity level, when charged particles into t
3、he counter tube gas, ion in the value-added process, stimulated deexcitation, emission of ultraviolet photon, the photon beam to the cathode to anode photoelectron generating photoelectrons, drift, and cause the ions in value, then formed in a tube self discharge, causing avalanche discharge. A char
4、ged particles into the counter, can cause a discharge process and produces a voltage pulse signal is recorded. If the detected is ray, can use gamma ray penetration counter tube wall or a metal cathode, the secondary charged particles such as photoelectron counting tube to cause ionization and produ
5、ces an output pulse. Measurements using FH408automatic scaler, high-voltage power supply, G-M counter, a preamplifier apparatus comprising counter for rock and soil and other natural sources of radiation level measurement, by comparing the summary of the radioactive level.Key words: Modern Physics,
6、nuclear detection technology and application, Geiger - Miller counter 目录1 引言12 测量原理与仪器组建1 2.1 G-M计数管的结构与工作原理1 2.2 G-M计数管的特性3 2.3仪器组建53 测量过程53.1仪器的调整5 3.2 坪曲线的测量6 3.3 样本的测量73.4样本平均数与本底的对比84 分析与讨论9 4.1 注意事项9 4.2 干扰分析9 4.3 讨论105 结论10致谢11参考文献121.引言核能、核技术在工业、农业、科研、医学、环保和国防等领域中广泛应用，然而核辐射安全技术与科学管理越来越显得十分迫切
7、和突出。2011年3月中旬，日本发生大地震，继而引发核泄漏事件，国内也因此而受到影响。核辐射安全问题成为关系到实际生活的问题。于是，我们就此问题采用盖革米勒计数器对自然生活当中的石头、土壤等进行粗略的测量。盖革米勒计数管有不同的结构，最常见的有钟罩型计数管和圆柱型计数管两种，由于圆柱型计数管对比较强的射线射线有反应，测量采用圆柱型计数管测量数据与本底对比变化不明显，而采用钟罩型计数管，会得到变化比较明显的数据，所以使用钟罩型计数管进行测量。用钟罩型计数管对收集的自然源样品进行测量测量结果与不放样品使得本底相对比，比较得出样品的放射性水平。(严肃论文不使用新闻和实事评论类语言)盖革米勒计数管只是
8、对样品放射水平的粗测，不能作为精密测量数据使用。但是在一定程度上也反映了所测样品的辐射水平，所以数据还是有一定价值的。（此自然段应移到后面讨论总结等节）2.测量原理与仪器组建2.1G-M计数管的结构与工作原理 图1 G-M计数管结构图G-M计数管的结构如图1所示，通常为一密封并抽真空的玻璃管，中央是一根细金属丝作为阳极，玻璃管内壁涂以导电材料薄膜或另装一金属圆筒作为阴极构成真空二极管。同时充有一定量的惰性气体和少量猝灭气体，一般二者充气分压比例是9：1。G-M计数管有很多类型，按结构形状区分有圆柱型和钟罩型等；按探测对象分类有、或兼测型计数管；按所充猝灭气体种类不同分，有卤素管，其猝灭气体为B
9、r2、Cl2等，如果用乙醇或乙醚等碳氢化合物作为猝灭气体，称为有机计数管。当计数管的阳极和阴极之间加有适当的工作电压时，管内形成柱形对称电场。如有带电粒子进入管内，由于粒子与管内惰性气体原子的电子之间的库仑作用，可使气体电离（或激发），形成正、负离子对（负离子即为电子），这种电离称为初级电离。在电场作用下，正、负离子分别向各自相反的电级运动，但正离子向阴极运动的速度比电子向阳极运动的速度慢得多。在电子向阳极运动过程中不断被电场加速，又会和原子碰撞而再次引起气体电离，称为次级电离。由于不断的电离过程使电子数目急剧增加，形成自激雪崩放电现象。同时，原子激发后的退激发及正负离子对的复合，都会产生大量
10、紫外光子，这些光子可在阴极上打出光电子，这些光电子在电场中被加速，一般在10-7s之内会使雪崩放电遍及计数管整个灵敏体积内。在这段时间内正离子移动很少，仍然包围在阳极附近，构成正离子鞘，使阳极周围电场大为减弱。在正离子缓慢地向阴极运动过程中，也会与猝灭气体分子相碰撞。对充有不同类型猝灭气体的计数管，其猝灭机制是不同的，对卤素管而言，由于猝灭气体的电离电位低于惰性气体，因而会使大量的猝灭气体电离，使到达阴极表面的大部分是猝灭气体的正离子。它们与阴极上电子中和后大部分不再发射光子，从而抑制正离子在阴极上引起的电子发射，终止雪崩放电，形成一个脉冲电信号。对于有机管而言，其猝灭气体是多原子分子如酒精或
11、石油醚等，它们能强烈地吸收紫外光子，可把惰性气体电离或激发后在退激过程中产生的大量光子吸收掉。这些光子不能产生次级雪崩放电，使由入射粒子引起的一次雪崩式放电过程终止，起到使放电自猝灭的作用。因此一次放电过程可在输出电阻上产生一个电压脉冲信号，其数目与进入计数管的粒子数相对应。计数管的使用寿命主要受猝灭气体因素限制。对有机管来说，由于有机分子的分解而逐渐消耗减少，一般有机管的使用寿命约108次计数。对于卤素管来说，被电离的卤素离子移动到阴极后，仍可复合为分子，因此卤素分子几乎不消耗。所以卤素管的寿命更长，可达109次计数以上。同时卤素管工作电压也低于有机管。一个带电粒子进入计数管，可以引起一次放
12、电过程而产生一个电压脉冲信号而被记录。因此，G-M计数管对带电粒子（如电子）的探测效率近于100%。如果被探测的是射线，可以利用射线穿入计数管壁或金属阴极时，产生的次级带电粒子如光电子等进入计数管引起电离并产生输出脉冲。所以G-M计数管不仅能探测带电粒子也能探测光子，不过对后者的探测效率很低，仅约1%。 由实验可知，圆柱型计数管测量数据与本底对比变化不明显，而我们采用钟罩型计数管，会得到变化比较明显的数据，所以我们使用钟罩型计数管进行测量。用钟罩型计数管对收集的自然源样品进行测量测量结果与不放样品使得本底相对比，比较得出样品的放射性水平。2.2 G-M计数管的特性G-M计数管的主要特性包括坪曲
13、线、死时间等。 坪曲线图1 G-M计数管的坪曲线正常的G-M计数管在强度不变的放射源的照射下，测量计数率随阳极和阴极间外加电压的关系，得到如图2所示的曲线，称为坪曲线。由图中看出，在外加电压低于V0时，粒子虽然进入计数管但不能引起计数，这是因为此时所形成的电压脉冲高度不足以触发定标器的阈值。随着外加电压的升高，计数管开始有计数，此时对应的外加电压V0，称为起始电压或阈电压。随着外加电压的继续升高，计数率也迅速增加，但外加电压从V1到V2这一范围内，计数率却几乎不变，这一段外加电压的范围称为坪区，V1-V2的电压值称为坪长。计数管的工作电压就应选择在此范围的重点附近。计数管的坪区也并非完全平坦，
14、随着外加电压的进一步升高，计数率也稍有增加，如电压从V1升至V2，计数率也从N1升至N2。其原因主要是猝灭不够完全，即猝灭气体的正离子到达计数管阴极时有少数也还可能产生次级电子，引起假计数。这些假计数是随外加电压的升高而增加的。为了表示这一特性，定义坪斜T为 （1） 式中各量的意义在图2中已标出。坪斜T的意义为当坪长每增加1V时，引起计数率增加的百分率。当计数管两极上所加电压超过V2时，计数率会明显上升，这说明已进入连续放电区，猝灭气体已失去作用。此时计数管不能正常使用且很容易损坏，实验中应尽量避免外加电压超过坪长区域。通过测量计数管的坪曲线，可以得出计数管的起始电压、坪长、坪斜等参数，并可选
15、择正确的工作电压。 计数管的死时间和实效时间图2 计数管输出波形示意图如图3所示。图的横轴是扫描时间，纵轴是脉冲信号幅度，由图可看出，在第一个大脉冲之后有一系列由小逐渐变大的脉冲。在第一个大脉冲的宽度tD时间之内，计数管内正离子鞘离阳极还很近，管内电场较弱，即使有离子进入管内也不能引起放电，不会形成脉冲，因此称tD为死时间。随着正离子鞘离开阳极的距离增大，管内电场稍有恢复，此时若有粒子进入计数管内，就能引起放电而形成脉冲，不过脉冲幅度很小。随着正离子鞘越接近阴极，管内电场逐渐恢复，输出脉冲也逐渐恢复到大脉冲的幅度。直到正离子鞘到达阴极而被中和，管内电场完全复原，输出脉冲也达到正常幅度。见图中表
16、示脉冲幅度的变化情形，其中tD表示计数管的死时间，tR为恢复时间，此段时间有粒子进入计数管时，它可能产生脉冲信号，但其幅度较小。实际上计数管不能计数粒子的时间一般大于tD而小于tD+tR。计数管实际不能计数的时间称为实效时间（或称分辨时间）。失效时间除决定于计数管的结构和工作电压外，还与计数率的大小和定标器的触发阈等因素有关。参考图中表示，如定标器的触发阀选为V1，则对应计数管的失效时间为t1，若触发阈选择为V2，实效时间应为t2。2.3 仪器组建 图3 G-M计数器 测量仪器：FH408自动定标器、高压电源、G-M计数管、前置放大器、样本（自然源）3 测量过程3.1 仪器的调整 将实验仪器组
17、装起来，打开电源，将定标器自检/工作按钮调到自检上，检查定标器师傅能工作正常； 确定定标器工作正常后，将定标器自检/工作按钮调到工作上，测量G-M计数管的坪曲线，确定其工作电压。将置于铅室外的钟罩型计数管用一定光强度的日光灯照射，选择高压电源量程为2000V，测量时间为3S。打开定标器电源，选择高压按钮并开始计数。将电压慢慢增大，直至定标器开始计数，此时缓慢调节电压，每20V计数十次，找出起始电压（定标器刚开始计数时为起始电压），在增加外加电压的过程中如发现计数有明显增加的趋势时，应立即降低电压并不再重复增加电压，以保护计数管。根据所测数据绘制坪特性曲线，并确起始电压、定坪长度与平坡度。由绘制
18、的坪特性曲线在坪区的1312处确定GM计数器的工作电压； 选定工作电压，在暗室下进行测量，测量时间为3S，测量计数管的本底（即在此条件下测量所得计数器的计数率）和样本的计数率，并根据所测数据图；3.2 坪曲线的测量光强一定，测量时间为3s时测得的坪特性数据（表1）（以上坪曲线测量语言重复不简练要改）表 1 计数管测得的坪特性数据（改）电压次数1次数2次数3次数4次数5次数6次数7次数8次数9次数10平均计数率11400000000000011605653554458464248505750.911806248546557566258615557.812007964656366575885785
19、967.412208673907069817281687576.512409273897471888370918481.512608584738488669389819683.9128083791109189916989938287.61300918492100771009091958290.21320977274921101068597879591.5134094105106919810081103927894.81360101109957394981101069010197.71380101123113969911410111310796106.3140012513011112610310
20、611093111102111.71420116108123122106104122122115120115.81440118127102118107130126115118119118146011912514110611812913413198138123.91480119137114132140136151122116117128.41500136129129133137133138136126155135.21520179147175160149157158171161157161.41540254278275271262241283270271284268.91560382412423
21、395398378416403417377400.1由所测数据作出的坪特性曲线图 4 G-M计数的坪特性曲线由所测数据及所作坪特性曲线得起始电压V0为1140V,坪长度，即坪区V=15201160=360V，坪坡度为：0.289%V又工作电压一般选在坪区起点的1312 坪长度处。所以，可选G-M计数器的工作电压为VN=1340V。3.3 样本的测量工作电压Vn=1340V，暗室，测量时间T=3S,测得本底与样本的计数率（表2）表 2 本底与样本的计数率（参考规范已发表论文改）样本次数1次数2次数3次数4次数5次数6次数7次数8次数9次数10次数11次数12次数13次数14次数15次数16次数1
22、7次数18次数19次数20平均计数率本底121121401232002014111.45样1238442365451675065534.2样2353544341436323252513.4样3363232042113213521322.45样4421456123132335143242.95样5335244321332410623322.8样6524224133143323233412.75样7623534132354351221333.05样8432242641321223423643样9355044313643335333113.15样10412033411432322402432.4样1
23、1532203242121424132322.4样13152021522531145132202.35样14353245234436132413653.45样17443426435240243135233.2样18213224232123135132322.35样19322431233445205123222.65样20513233501235251341312.65样22322512642232233324032.7样24340243212323115153022.35样25323213124412444124232.6表3 样本对应的自然源样本1张家口红色沉积岩样本11沧州红色沉积岩样本2
24、邯郸沙土样本13唐山花岗岩样本3张家口土壤样本14河南郑州红沉积岩样本4唐山土壤样本17唐山花岗岩样本5保定土壤样本18衡水鹅卵石样本6肃宁土壤样本19保定人造花岗岩样本7张家口蓝色沉积岩样本20邯郸红色沉积岩样本8保定花岗岩样本22石家庄沉积岩样本9墙上磁砖样本24邯郸花岗岩样本10青岛红色沉积岩样本25邢台红色沉积岩3.4 样本平均数与本底的对比如下图图 5 测量样品与本底对比柱形图 图 6 测量样品实际放射水平由图我们可以看出，所测样品与本底相比较有一定的差距的，说明我们日常生活中的自然源还是有一定辐射的，但是我们还可以看出所测样品相对本底相差不是很明显，所以说我们不必恐慌，因为我们所居
25、住自然环境的辐射水平是在人类可以接受的范围之内的。4 分析与讨论4.1 注意事项 在增加外加电压的过程中如发现计数有明显增加的趋势时，应立即降低电压并不再重复增加电压，以保护计数管； 计数管中央是一根细金属丝作为阳极，玻璃管内壁作为阴极，在进行组装时不可反接，否则仪器不能正常使用； 在进行坪曲线测量的时候，日光灯照射亮度必须保持不变，否则不能正确作出坪曲线； 测量样品时一定要在暗室下进行，避免光源干扰使测量数据不准确。4.2 干扰分析在暗室下测量，计数器依然有数据输出，这是由于宇宙射线或空间其它一些射线的缘故，另外由于测量需要，暗室也会有微弱的亮光；定标器自带的高压电源在增大电压的同时会有轻微
26、波动，而电压的变化会对测量数据产生影响；测量过程中与仪器无关电源的开关也会对测量数据照成影响。4.3 讨论一听到放射线与放射性就害怕的人不少，但人类一直与它相伴，辐射自人类诞生以来就存在。人体如果受到大量辐射，则会产生重大伤害。但是，如果受到的是少量辐射，则不但不可怕，反而能刺激生物机体本来的机能，对人体带来好的影响。人类受到的辐射，除了来自宇宙飞向地球的放射线之外，还有从地壳释放到大气中的放射线和食物中所含的放射性物质。人类受到它们的影响各占三分之一。测量过程中使用可见光作为放射源，是因为可见光作为一种电磁波可以产生同放射性物质一样的效果（是计数器输出数据），具有放射出放射线的能力称为放射性
27、，可见光因此可以被看做放射源。当测量排除可见光影响，计数器同样可以输出数据这是因为有一部分宇宙射线，还有从地壳释放到大气中的放射线和食物中所含的放射性物质，另外还有测量人员自身携带一部分射线的缘故。那么关于辐射对癌症的影响问题，参照国际放射防护委员会的见解，照射量大癌症发生率高，照射量小癌症发生率低，即便由于遭辐射产生癌症，但也没有设定在受某一剂量以上的照射产生癌症的“阈值”。但是由于本次测量的样品放射性水平都比较低所以不必担心照射量过大问题。5 结论 本实验使用定标器对自然源的放射性进行测量，在进行多次测量减小实验误差的情况下，得到相关数据显示，自然环境中的样品辐射水平较低，对我们的健康不构
28、成威胁。但是我们也不能一概而论，我们的样品较少，资源有限，所以不能对所有自然界中的物品下结论，而且我们因为时间有限，所测样品次数较少，不能作为精密测量数据使用。但是在一定程度上也反映了所测样品的辐射水平，所以数据还是有一定价值的。将样品计数减去本底再做个图，应为样品放射性的计数。致谢 首先感谢论文指导老师李建民老师，李老师以认真严谨和对学生对工作负责的态度，让我在论文写作的过程中真正得到锻炼，真正学到一些知识。 其次，感谢为我在论文写作过程中提供支持和帮助的各位领导老师。 再次，感谢各位在论文材料制备过程中为我提供帮助的同学，让我能够顺利的完成论文的写作。 参考文献：邬鸿彦,朱明刚.近代物理实
29、验.科学出版社.1998；吴思诚，王祖铨.近代物理实验.北京大学物理系近代物理实验室.北京大学出版社.1999年7月,第二版；成元发，肖海波.近代物理实验.科学出版社.2009；从慧玲.实用辐射安全手册.原子能出版社.2006年2月,第一版；钱锋，潘人培大学物理实验. 高等教育出版社.2008；潘自强，刘艳阳 人为活动引起的天然辐射照射的增加辐射防护第31卷，第6期2011年11月王同权，沈永平，王尚武，张树发空间辐射环境中的辐射效应国防科技大学学报第21卷，第4期陈在华，何木生安徽省天然辐射水平安徽省卫生防疫站刘鄂谈谈水中的放射性新疆环境保护科学研究所夏宁，姜学钧，刁少波，李绍全，张红，许婷婷青岛市天然放射性环境地质调查物探与化探第32期，第5卷2008年10月吉田八束人体与辐射刺激效应研究现状及成果。
