Программная реализация модели счетчика Гейгера-Мюллера на языке С

Аннотация

Статья посвящена описанию программы, которая предназначена для моделирования физических процессов, происходящих внутри счетчика Гейгера-Мюллера. В статье рассмотрены теоретические аспекты моделирования счетчика и приведена практическая реализация на языке С. Разработанная программа используется на уроках физики в средней школе.

Ключевые слова: счетчик Гейгера-Мюллера, ионизация, рекомбинация, моделирование физических процессов, компьютерная модель.

Abstract

The article is devoted to the description of the program which is intended for modeling of the physical processes which proceed in Geiger-Muller's counter. In article theoretical aspects of modeling of the counter are considered. Also the practical realization of this model in the programming language C# is given. This program is used at lessons of physics at high school.

Keywords: Geiger-Muller's counter, ionization, recombination, modeling of the physical processes, computer model.

В настоящее время очень актуально использование демонстрационных моделей для исследования физически процессов. Процессы моделирования физических явлений всегда были и будут актуальными. Особенно моделирование удобно применять для тех процессов, которые не доступны человеческому глазу [1; 18]. Примером таких физических явлений являются действия, происходящие внутри счетчика Гейгера — Мюллера. Особый интерес к изучению этих процессов проявляют школьники и студенты.

Учитывая актуальность и востребованность данной темы, был разработан проект по моделированию работы счетчика Гейгера-Мюллера. В масштабах проекта реализована программа, отражающая результаты через среду Microsoft Visual Studio 2013.

Счетчики Гейгера-Мюллера — самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон (Б) с двумя электродами (А, К) 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.

Прежде всего, для характеристики нашей физической системы было введено разделение параметров на макрохарактеристики и микрохарактеристики. К макропараметрам относятся такие физические величины как: температура, давление, напряжение. Микропараметры: масса молекул, скорость движения. счетчик программа гейгер ионизирующй Первым делом объявляем наши переменные. Количество молекул, и массивы задающие различные величины: скорость, координаты расположения молекул на экране, скорости молекул по осям координат, рисунок 1.

Рисунок 1. Микрохарактеристики системы.

Количество молекул можно изменять. Далее объявляем наши макроха-рактеристики, рисунок 2:

Рисунок 2. Макрохарактеристики системы.

Макрохарактеристики представляют из себя, константы, которые в последствие можно изменять на форме программы.

Функция рисования.

На нашей форме расположили окно для рисования pictureBox1, именно оно будет являться нашим «полем» для проведения эксперимента. Следующий шаг — с помощью класса Graphics начинаем рисование элементов схемы счетчика. Используем стандартные фигуры, прямоугольник, прямые линии, рисунок 3.

Рисунок 3. Рисование элементов схемы.

Класс Pen задает цвет и толщину наших фигур. Линии и прямоугольник рисуются по координатам, они указываются в круглых скобках.

Кнопкой «Обозначения» можно включить и выключить условные обозначения элементов схемы счетчика. Для этого используется класс System.Drawing.Font [2; 48], данный класс определяет конкретный формат текста, включая начертания шрифта, его размер и атрибуты шрифта, рисунок 4.

Рисунок 4. Условные обозначения.

В двойных кавычках указывается тот текст, который необходим к печати, далее через запятую указывается параметры шрифта, цветы шрифта, и координаты расположения текста соответственно. Текст печатается строками.

Рисование молекул частиц и электронов.

Для изображения молекул и частиц было решено изобразить их окружностями желтого цвета, рисунок 5.

Рисунок 5. Рисование молекул.

При включении программы появляется схема счетчика Гейгера, колба, наполненная молекулами. Модель двумерная. Молекулы расположены по всей площади трубки хаотично, рисунок 6.

Рисунок 6. Модель в работе.

При нажатии кнопки «Старт» молекулы начинают двигаться, и мы наблюдаем Броуновское движение в колбе счетчика, рисунок 7. 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.

Рисунок 7. Движение молекул внутри колбы. Расчеты физической системы.

В данной части программы описывается все, что необходимо для описания физической системы счетчика. Первым делом мы объявляем переменные, константы и массивы. Константы: постоянная Больцмана, концентрация молекул, диапазон скоростей. С помощью функции Random, наши молекулы распределяются по площади колбы равномерно, рисунок 8.

Рисунок 8. Движение молекул газа. Классы для рисования электронов и частиц.

Для появления на экране электронов и ионизирующих частиц было решено создать два класса для задания их параметров [3; 117]. В данных классах описываются начальные координаты по осям, начальные координаты и скорости движения, рисунок 9. Названия классов соответственно Appart и Electron.

Рисунок 9. Классы с характеристиками электронов и альфа-частиц.

Реализованная программа моделирования позволяет наглядно визуализировать и отобразить физические процессы, происходящие в счетчике Гейгера-Мюллера. Следует отметить, что данная программа является лишь приближённой моделью. Дальнейшим развитием данного проекта может выступить реализация трёхмерной модели внутреннего устройства счетчика.

• 1. Амосов Н. М. Моделирование мышления и психики. — М., Наука, 1995. — 413 c.
• 2. Павловская Т. А. C#. Программирование на языке высокого уровня. Учебник для вузов. — СПб.: Питер, 2007. — 432 с.
• 3. Троелсен, Эндрю. Язык программирования C# 5.0 и платформа .NET 4.5, 6-е изд.: Пер. с англ. — М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2013. — 618 с.