ГМИ методичка

2.Описание Ваших действий при выполнении работы (по пунктам) с приведенными результатами измерений и вычислений по каждому пункту.

3.Анализполученныхрезультатов.СчитаетелиВыихправильными или хотя бы правдоподобными? Чем, по Вашему мнению, обусловлены ошибки измерений, и сколь они велики?

15.4.Контрольные вопросы

1.Как атмосферное давление изменяется с высотой над уровнем моря? Напишите барометрическую формулу и поясните её.

2.Чтотакоебарическаяступень?Какиеприближенияпринимаются при использовании этого понятия?

3.Как барическая ступень зависит от температуры и высоты над уровнем моря?

4.Приведите примерные значения барической ступени на разных высотах в атмосфере.

5.Какие приборы для измерения атмосферного давления Вы знаете?

6.Каков принцип действия барометра-анероида? Какие погрешности ему присущи и каковы методы их ликвидации?

7.КаковпринципдействиябарометраБРС?Пояснитеблок-схе- му барометра.

8.Почему при точности измерения ±0,3 гПа в Вашей работе допускается измерение с точностью 0,01 гПа?

9.КакВыбудетеизмерятьбарическуюступеньвВашейработе?

10.Как Вы будете рассчитывать высоту различных этажей здания, пользуясь измеренным значением барической ступени?

15.5.Литература

1.ГригоровН.О.,СаенкоА.Г.,ВосканянК.Л.Методыисредства гидрометеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник по курсу. СПб.: РГГМУ, 2013. С. 136–141.

2.Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы.

Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

16. Измерение радиоактивности. Лабораторная работа № 16

Цель работы – изучить различные единицы измерения радиоактивного фона и радиоактивного загрязнения местности. Изучить счетчики, использующиеся для измерения уровня радиоактивного фона и радиоактивного загрязнения местности. Измерить уровень радиоактивного фона в лаборатории, измерить удельную активность воды и строительных материалов (щебня). Оценить ослабление радиоактивного излучения пластиком, толщина слоев которого может изменяться при выполнении работы.

16.1. Единицы измерения радиоактивности

Радиоактивное излучение возникает при распаде ядер. Как известно из курса физики, при радиоактивном распаде испускается излучение трех видов.

α-излучение представляет собой α-частицы, т. е. ядра гелия. Ядра гелия имеют положительный заряд, скорость их вылета составляет около 107 м/c.

β-излучение представляет собой электроны, обладающие скоростью от 108 м/c до 0,999 скорости света. Электроны, соответственно, имеют отрицательный заряд и массу, на несколько порядков меньше, чем α-частицы.

γ-излучение – это электромагнитное излучение с длиной волны около 10-12 м (частота 1020 Гц). Соответственно, скорость распространения γ-излучения равна скорости света. Массы покоя кванты такого излучения не имеют.

Жесткая радиация облучает тела, вызывая изменения в веществе, из которого они состоят. Поэтому есть несколько величин, описывающих радиоактивное излучение. Некоторые из них относятся к собственно радиоактивным материалам, другие описывают изменения в облучаемом веществе. Перечислим их.

1. Радиоактивность (А). Это количество ядерных распадов, происходящих в образце радиоактивного вещества за одну секунду. Разумеется, величина А зависит от природы радиоактивного вещества и от его количества. Радиоактивность измеряется в беккере-

лях (Бк):

242

1 Бк = 1 с–1.

Это единица СИ. Но для практического использования она слишком мала. Ею пользуются только тогда, когда радиоактивность вещества заведомо мала – например, при описании радиоактивности продуктов питания, воды или неактивных материалов (песка, почвы и т. п.). В этом случае используют понятие удельной активности, измеряемой в беккерелях на килограмм, или объемной активности, измеряемой в беккерелях на литр. Для описания радиоактивных веществ пользуются другой единицей, называемой кюри (Ки). Один кюри – это радиоактивность одного грамма радия. Известно, что за одну секунду в одном грамме радия происходит 3.7 · 1010 ядерных распадов. Следовательно, можно установить соотношение:

1 Kи = 3.7 · 1010 Бк.

Когдаисследуетсярадиоактивноезаражениеместности,используется такая единица, как кюри на квадратный километр (Kи/км2).

2. Поглощенная доза (Д). Это отношение энергии (W), поглощенной облучаемым телом, к массе этого тела (m):

Д = W/m.

Разумеется, поглощенная доза измеряется в джоулях на килограмм. Такая единица получила название грей (Гр):

1 Гр = 1 Дж/кг.

3. Экспозиционная доза (J). Это отношение заряда (Q), образующегося в сухом воздухе при облучении, к массе сухого воздуха (m):

J = Q/m.

Экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм, или в рентгенах (р):

1 р = 2.58·10–4 Кл/кг.

(Множитель 2.58·10–4 появляется при переводе единиц заряда в систему СИ и объема воздуха в массу).

Можно легко установить следующее соотношение: 1 р = 8.77·10–3 Гр.

Обычно используют такие единицы, как рентген в час (миллирентген в час, микрорентген в час).

4. Мощность дозы (Д*). Это отношение поглощенной дозы ко времени поглощения (τ):

Д* = Д/τ.

Можно связать мощность дозы с радиоактивностью:

243

Д* = К·А/r2,

где r – расстояние между облучающим радиоактивным веществом и облучаемым телом, К – ионизационная постоянная, коэффициент, характеризующий радиоактивное вещество.

Приведем величину К для некоторых изотопов:

При исследовании радиоактивного заражения местности по принятому стандарту измерения проводятся на высоте 1,5 м от земной поверхности. Тогда:

Д• = K A. 2,25

Однако наиболее важным является воздействие радиации на организм человека. Поэтому введена еще одна, пятая единица.

5.Эквивалентнаядоза(Дэ).Этопоглощеннаядоза,умноженная на коэффициент (ke), зависящий от вида излучения. Соответствующая единица получила название зиверт (Зв):

Как видно из таблицы, наиболее опасными являются осколки деления ядер.

Для описания радиоактивности местности используются дольные единицы – миллизиверт, микрозиверт (мЗв, мкЗв), а для определения мощности эквивалентной дозы – миллизиверт в час, микрозиверт в час (мЗв/час, мкЗв/час). Можно легко установить соотношение:

100 мкР/час = 1 мкЗв/час, 100 мР/час = 1 мЗв/час.

244

16.2. Основные способы измерения радиоактивности

1.Счетчик Гейгера. Основной частью счетчика является газоразрядная трубка, содержащая газ при пониженном давлении

(рис. 16.1).

Когда частица (нейтрон, α-частица и пр.) влетает в трубку, происходит ионизация молекул газа. Образовавшиеся ионы летят к заряженным электродам трубки – аноду (1) и катоду (2). На своем пути они встречаются с другими молекулами газа. Длина свободного пробега (т. е. расстояние между молекулами) такова, что ионы успевают набрать скорость, достаточную для ионизации встретившейся молекулы. Тогда образуется новая пара ионов, которые также летят к электродам, ионизуют другие молекулы и т. д. Возникает лавинообразный процесс ионизации всех молекул газа в трубке. Трубка вспыхивает. Сопротивление трубки Rтр резко падает. Наличие гасящего сопротивления R~107 Ом приводит к тому, что при Rтр << Rг, напряжение анод-катод также резко падает и трубка гаснет моментально. При этом на выходе появляется импульс напряжения. Ясно, что число таких импульсов за фиксированный промежуток времени характеризует поток частиц, т. е. уровень радиации. Оно может быть подсчитано счетчиками.

В дозиметре ДРГБ-01 используется цифровой счетчик, подсчитывающий количество импульсов за определенный интервал времени. Число, соответствующее подсчитанному количеству импульсов, представляетсянацифровоминдикаторе.Параметрыприбораподобраны так, что это число равно активности, измеренной в микрозивертах в час или в килобеккерелях на килограмм.

2.Пропорциональные счетчики. Основной частью является та

же трубка, но анодное напряжение выбирается значительно меньше, так же, как и давление газа, а давление газа – больше, чем в счетчике Гейгера. Из-за этого ускорение ионов слишком мало и лавинный

Рис. 16.1. Схема счетчика Гейгера

246

процессневозникает.Втрубкеприсутствуютлишьотдельныеионы, образовавшиеся в результате ионизации потоком частиц. Возникает слабый ионный ток, величина которого пропорциональна уровню радиации. Для измерения тока применяются стрелочные или цифровые приборы, включенные последовательно с трубкой. Гасящее сопротивление в этом случае не ставится.

3.Сцинтилляционные счетчики. В этих приборах используется свойство некоторых веществ светиться при радиоактивном облучении (сцинтилляция). Образец сцинтиллятора помещается рядом

скатодом ФЭУ. Частота возникающих при попадании частиц на сцинтиллятор световых вспышек фиксируется ФЭУ и может быть измерена счетчиком или частотомером. Сцинтилляционные счетчики являются самыми чувствительными.

4.Радиофотолюминесцентный метод. Радиофотолюминес-

центный метод заключается в том, что в облучающий поток ионизирующегоизлучениявноситсяобразецстекланаосновечетырехокиси фосфора РО4. Под действием излучения происходит перестройка кристаллической структуры стекла с образованием центров люминесценции. Более длительное пребывание в потоке излучения приводиткобразованиюбольшегоколичествацентров.Сдругойстороны, более интенсивный поток излучения также способствует образованию большего количества центров. Таким образом, количество образовавшихся центров пропорционально поглощенной образцом дозе радиации. Затем образец облучается ультрафиолетовым световым потоком. Если в образце присутствуют центры люминесценции, то образец начинает светиться в видимой части спектра. Легко понять, что интенсивность возникающего видимого свечения зависит от поглощенной образцом дозы. Интенсивность свечения легко измерить с помощью ФЭУ.

Такие измерения проводятся в тех случаях, когда необходимо определить интегральную величину поглощенной дозы за достаточно большой временной интервал – например, за сутки, неделю, месяц или более длительный срок.

Рассмотрим теперь схему цифрового счетчика для подсчета импульсов за фиксированное время (рис. 16.2) Работа счетчика начинается с подачи импульса на вход запуска (обычно нажатием кнопки). Триггер перебрасывается и на его выходе возникает логическая единица, поступающая на две схемы «И». Через верхнюю схему «И» на счетчик Сч1 проходят импульсы с трубки, количество

247

Рис. 16.2. Схема цифрового счетчика Гейгера

которых подсчитывается счетчиком. Таким образом, на его выходе возникает число в двоичном коде, которое вырастает по мере поступления импульсов. Преобразователь (X/Y) переводит двоичный код в код управления световыми индикаторами, отображающими результат подсчета.

Нижняя часть схемы представляет собой таймер – устройство для определения промежутка времени счета. Через нижнюю схему «И» на счетчик Сч2 проходят импульсы фиксированной частоты с генератора (G). Результат подсчета (в двоичном коде) переводится в напряжение с помощью ЦАП. Так как этот результат все время возрастает, то напряжение Uцап также растет. При превышении величины Uоп (Uцап > Uоп ) на выходе компаратора (К) возникает логическая единица, поступающая на R-вход триггера и перебрасывающая триггер. Возникающий на выходе триггера логический ноль запирает обе схемы «И», подсчет импульсов прекращается, и число на индикаторах перестает изменяться. При правильном подборе величины Uоп это число отражает уровень радиации в заданных единицах (мР/час, мкР/час, и т. д.).

Величину опорного напряжения Uоп можно регулировать с помощью потенциометра (на схеме он не показан). Такая регулировка проводится при настройке прибора перед измерением.

248

16.3. Выполнение работы

Для выполнения работы необходимы:

–дозиметр ДРБГ-01 или другой аналогичный;

–маломощный источник радиоактивного излучения;

–изоляционный материал, например гетинакс;

–образцы водопроводной воды и гранитного щебня.

1.ПолучитеулаборантаилипреподавателядозиметрДРБГ-01. Включите его и измерьте уровень радиоактивного фона в лаборатории в режиме F, выполнив соответствующие операции (Приложение 9). Соответствует ли это значение норме?

2.Расположитедозиметрнадмаломощнымисточникомрадио­ активного излучения на высоте 15–20 см. Для обеспечения безопасности работы источник закрыт крышкой и должен находиться

вцилиндрическом металлическом экране. Снимите металлическую крышку с источника. Снимите экран с дозиметра для измерения маломощного излучения источника.

3.Положите на источник одну пластину гетинакса, предварительно записав её толщину h (h = 0,7 мм), и в режиме F измерьте уровень излучения от источника. Далее повторите измерения, поместив на первую пластину вторую, соответственно величина h возрастает в 2 раза. Затем проведите те же измерения, накладывая третью, четвертую и т. д. пластину. Составьте таблицу зависимости уровня излучения от суммарной толщины образцов гетинакса. Составьте график полученной зависимости Дэ(h).

4.Измерьте удельную радиоактивность водопроводной воды, для чего приготовьте пробу, наполнив водопроводной водой стек­ лянную­ банку. Запишите полученное значение и определите удельную активность А в килобеккерелях на килограмм, используя поправочный коэффициент (приложение 10).

Внимание! Если полученное значение удельной активности неправдоподобно велико (например, индикатор показывает 999), то это означает, что измеренное значение излучения меньше фонового. В этом случае делается вывод о слишком малом излучении образца – ниже предела измерения счетчика.

5.Измерьте удельную активность гранитного щебня, воспользовавшись готовой пробой, имеющейся в лаборатории. Запишите полученное значение и определите удельную активность А в килобеккерелях на килограмм, используя поправочный коэффициент

249

(приложение 10). Сравните его с активностью водопроводной воды. Чем Вы объясняете разницу в значениях?

6. Выключите прибор, сдайте его лаборанту или преподавателю и уберите своё рабочее место.

16.4. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Краткое описание принципа действия дозиметра ДРБГ-01.

2.Порядок всех Ваших действий во время работы.

3.Значение радиоактивного фона в лаборатории, выраженное

вмкЗв/час и в мкР/час. Соответствует ли это значение норме?

4.Графикзависимостирадиоактивногоизлучениямаломощного источника радиации как функцию толщины образцов гетинакса Дэ(h).

5.Значение удельной активности водопроводной воды и гранитного щебня в КБк/Кг. Соответствуют ли полученные Вами значения нормам?

6.Объяснение и анализ полученных результатов.

16.5.Контрольные вопросы

1.Что такое радиоактивность, и в каких единицах она измеря-

ется?

2.Какие виды излучения, возникающие при ядерном распаде, Вы знаете?

3.Объясните смысл понятий «поглощенная доза» и «мощность дозы», В каких единицах измеряются эти величины?

4.Что такое экспозиционная доза? Объясните физический смысл понятия «рентген» и «рентген в час». Каково соотношение между этими единицами и единицами системы СИ?

5.Чтотакоеэквивалентнаядоза?Какиеединицыприменяются для её измерения?

6.Что такое удельная радиоактивность продуктов? В каких единицах она измеряется? Каковы допустимые значения удельной активностидляпищевыхпродуктов?Длястроительныхматериалов?

7.Каковы основные нормы радиоактивного облучения для населения?Почемуэтинормыразличныдляразныхгруппнаселения?

8.Вы измеряете уровень радиоактивности на метеорологи­ ческой станции. Полученное Вами значение – 0,7 мкЗв/час. Является ли это нормальным? Каковы Ваши действия в этом случае.

250