VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Оснащение лабораторий физики особенно в сельских школах оставляет желать лучшего. Особой проблемой является проведение лабораторных работ по атомной и ядерной физике. Существует масса различных программ демонстрации виртуальных экспериментов, описывающих тот или иной опыт, но они не охватывают всего курса. Визуализация различных физических процессов позволяет учащимся понимать суть физических явлений. В данной работе описывается реализация моделирования счетчика Гейгера-Мюллера средствами языка программирования C#. Счетчики Гейгера-Мюллера – самые распространенные детекторы ионизирующего излучения. В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона, к которым добавлены примеси сложных молекул паров спирта и небольшой примесью галогенов – хлора, брома, йода. Такой состав газа необходим для гашения разряда, возникающего при попадании ионизирующего излучения в трубку. В результате на катод счетчика поступают не ионы инертных газов, а ионы галогенов. Однако благодаря процессу рекомбинации количество галогенного газа все время поддерживается, что удлиняет срок службы счетчика. При подходе к поверхности катода ионы спирта нейтрализуются. В свою очередь электроны накапливаются на положительно заряженном аноде, из-за чего в цепи возникает электрический ток. Положительные ионы, приближаясь к катоду, выбивают из последнего электроны, в результате чего образуются нейтральные атомы инертного газа в возбуждённом состоянии.

Поскольку эти физические процессы протекают со скоростью, недоступной человеческому восприятию, то рассмотреть их можно только с помощью компьютерного моделирования. Мы рассматриваем двумерную систему со следующими микропараметрами: массив скоростей по оси X; массив скоростей по оси Y; координата частицы по осям X и Y. Запустив программу, пользователь наблюдает Броуновское движение молекул внутри трубки. Соударения молекул считаются абсолютно упругими. Движение молекул газа напрямую зависит от макропараметров: температуры газа и давления. Для ионизирующих частиц, также созданы соответствующие массивы. Характеризуют движение частиц несколько параметров: масса, скорость, и частота испускания. Когда частица попадает в трубку счетчика, мы проверяем возможность столкновения с молекулами газа. В том случае, если частица сталкивается с молекулой газа происходит ионизация, образуется положительно заряженный ион и электрон. Для наглядности они изображаются другим цветом. При условии, если напряжение между электродами включено, ион направляется к катоду, а электроны оседают на аноде. Амперметр регистрирует в цепи счетчика электрический ток. Ионизация сопровождается звуком «щелчка». Аналогично, проверяя столкновения ионов с электродами, модифицируем переменные и моделируем процессы рекомбинации. Достигнув катода ион меняет свой цвет и становится молекулой нашего газа.

Моделирование базируется на системе кинетических уравнений с соответствующими коэффициентами генерации, рекомбинации, прилипания и отлипания. В данной модели принят ряд условностей, например, число молекул в трубке условно, несоответствующее объему, можно изменять вручную. Соударения молекул принимаются как абсолютно упругие, не учитывается вращение молекул. Как только молекулы сталкиваются их скорость меняется на противоположную. При увеличении давления и температуры до определенного значения в программе предусмотрен взрыв баллона с газом, что наглядно показывает учащимся, как увеличивается кинетическая энергия молекул газа при изменении макропараметров. Прежде всего, для характеристики нашей физической системы было введено разделение параметров на макропараметры и микропараметры. К макропараметрам относятся такие физические величины как: температура, давление, напряжение. Микропараметры: масса молекул, скорость движения. Количество молекул можно изменять. Макропараметры представляют из себя константы, которые в последствие можно изменять.

При включении программы появляется схема счетчика Гейгера, колба, наполненная молекулами. Модель двумерная. Молекулы расположены по всей площади трубки хаотично, рисунок 1.

Рисунок 1 – Модель в работе

При нажатии кнопки «Старт» молекулы начинают двигаться, и мы наблюдаем Броуновское движение в колбе счетчика. К массиву координат прибавляется скорость по осям, умноженная на коэффициент пропорциональности. Это необходимо для наглядности эксперимента. Далее записывается условие, необходимое для того случая, когда молекула достигает стенки колбы. Когда происходит данная ситуация, скорость молекулы меняется на противоположную.

В результате работы мы получили действующую модель, которая наглядно демонстрирует процессы, происходящие в счетчике. Программирование произведено на языке С# в среде Microsoft Visual Studio 2013.

Код для цитирования: Скопировать