- •Сборник лабораторных работ по основам ядерной физики и дозиметрии
- •Определение активности нуклида относительным методом
- •Определение периода полураспада искусственного радионуклида
- •Определение верхней границы бета-спектра радионуклида по поглощению бета-излучения в алюминии
- •Определение энергии гамма-квантов радионуклида по ослаблению узкого пучка излучения в веществе
- •Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры
- •5. Домашнее задание перед работой
- •6. Содержание отчета
- •7. Техника безопасности
- •8. Контрольные вопросы
- •Определение параметров газоразрядного счетчика
- •Введение.
- •Основные понятия:
- •1.2. Определение нижней границы диапазона измерения блока детектирования.
- •2. Порядок выполнения работы.
- •3. Указания по мерам безопасности.
- •Контрольные вопросы для подготовки к лабораторной работе
Определение энергии гамма-квантов радионуклида по ослаблению узкого пучка излучения в веществе
Цель работы
Работа имеет целью практическое обучение методике определения энергии гамма-квантов по ослаблению узкого пучка излучения в веществе путем экспериментального измерения величины массового коэффициента ослабления.
Введение
Общие понятия
Гамма-излучение – это фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, ядерных превращениях и при аннигиляции частиц. Гамма-излучение является электромагнитным косвенно ионизирующим излучением. Энергия гамма-квантов, испускаемых радионуклидами, заключена в пределах от 0,01 МэВ до 10 МэВ. Большинство радионуклидов дают гамма-излучение сложного энергетического спектра. Некоторые ядра (их немного) испускают моноэнергетически гамма-излучения.
Для радионуклидов со сложным спектром гамма-излучения в эксперименте может быть определена эффективная энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и у рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.
Характеристиками гамма-излучения являются поток гамма-квантов и плотность потока.
Под потоком гамма-квантов понимают отношение числа квантов dNγ, проникающих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу
Плотность потока гамма-квантов – это отношение потока dФγ, проникающего в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS
Аналогичными характеристиками, учитывающими энергию гамма-квантов, является поток энергии и плотность потока энергии гамма-излучения.
Взаимодействие гамма-излучения с веществом осуществляется в основном за счет трех элементарных процессов: фотоэлектрического эффекта, некогерентного рассеяния (эффект Комптона) и образования электронно-позитронных пар (пар-эффекта). При малых энергиях гамма-квантов определенный вклад дает также когерентное рассеяние на электронах.
Вероятность взаимодействия гамма-квантов с веществом характеризуется массовым коэффициентом ослабления. Под ним понимается отношение доли косвенно ионизирующих частиц данной энергии, претерпевших взаимодействие при прохождении элементарного путиdl в среде с плотностью ρ к длине этого пути и к плотности среды
Для фотонного излучения массовый коэффициент ослабления равен сумме массовых коэффициентов ослабления, обусловленных фотоэффектом, некогерентным рассеянием, когерентным рассеянием и образованием электронно-позитронных пар. При этом для гамма-излучения когерентное рассеяние, как правило, не учитывается:
Как видно из приведенного определения, по физическому смыслу массовый коэффициент ослабления – это вероятность для гамма-квантов провзаимодействовать с веществом при единичной массовой толщине мишени.
В расчетах по защите от излучения часто используют линейный коэффициент ослабления гамма-излучения μ, получающийся умножением массового коэффициента ослабления на плотность ρ. По физическому смыслу линейный коэффициент ослабления – это вероятность взаимодействия гамма-кванта с веществом на пути единичной длины. Единицы измерения и μ в системе СИ соответственно м2/кг и м-1.
Величина коэффициентов ослабления сложным образом зависит от энергии гамма-квантов и от материала защиты. Эти зависимости приводятся в справочнике в виде таблиц или графиков (см. приложение 3, рис. 3-6).
Аналитическое выражение для описания ослабления гамма-излучения защитой можно получить для узкого пучка моноэнергетического гамма-излучения. В этом случае в результате любого акта взаимодействия гамма-квант выбывает из пучка. Следовательно, число выбывших из пучка фотонов dN пропорционально пройденной толщине вещества dx и числу падающих фотонов N, т.е.
Для моноэнергетического излучения μ постоянно, и интегрирование полученного выражения дает
Если разделить обе части этого выражения на площадь мишени и время облучения, то получится выражение для плотности потока гамма-квантов
где φγ0 и φγ – плотность потока гамма-квантов перед поглотителем и после поглотителя толщиной d.
График зависимости lgφ=f(d) имеет вид, приведенный на рис. 4.1.
Экспериментально построенный график служит для определения значения линейного коэффициента ослабления μ, а затем по справочному графику μ=f(E) – для определения энергии гамма-излучения. Значение μ из графика определяют либо по толщине слоя половинного ослабления d1/2
либо по тангенсу угла наклона α
При проведении работы измеряют не плотность потока φγ непосредственно, а пропорционально ему скорость счета импульсов n.
1.2. Описание лабораторной установки
Блок-схема лабораторной установки показана на рис. 4.2. Источниками излучения служат препараты 60Со или 137Сs активностью около 10 мКu. Источник помещается в свинцовую защиту, из которой выходит направленный пучок гамма-квантов, проходящий на пути к детектору через поглотитель. Второй коллиматор служит для поглощения гамма-квантов, рассеянных в поглотителе, иначе значение коэффициента ослабления гамма-излучения окажется заниженным.
Измерения выполняются на лабораторной установке, разработанной на основе радиометра КРВП-3Б.
Выполнение лабораторной работы
2.1. Подготовка к работе и производство измерений
Получить у лаборанта источник излучения и набор пластин поглотителя.
Собрать лабораторную установку в соответствии с приведенной на рис. 4.2. блок-схемой. Обратить особое внимание на соосность коллиматоров. Для этого перед установкой источника в коллиматор произвести «прицеливание» путем наблюдения через второй коллиматор. Источник излучения устанавливать после измерения фона в лаборатории.
Подготовить к работе радиометр КРВП-3Б. Обсчитать фон в течение пяти минут.
Установить источник излучения, измерить скорость счета без поглотителя. Затем установить поочередно одну, две, три и т.д. пластины поглотителя, каждый раз измеряя их толщину и скорость счета от проходящего сквозь них пучка гамма-излучения. Время измерения скорости счета выбирать, исходя из 5% точности измерения.
Измерения выполнять до уменьшения скорости счета в 8-10 раз. Результаты измерений и последующих расчетов занести в таблицу отчета.
По результатам измерений построить график lg n=f(d), по графику определить коэффициент ослабления гамма-излучения и по нему – энергию гамма-квантов.
2.2. Оформление отчета по лабораторной работе
До начала работы необходимо на специальном бланке отчета составить краткое описание работы и заготовить таблицу для записи результатов измерений. Подготовить оси координат для нанесения графика зависимости lg n=f(d).
Таблица 4.1 Результаты измерений
Nф= импульсов за t = минут
nф= имп/мин. Материал поглотителя
№ измерения |
Толщина поглотителя d, см |
Число импульсов N, имп |
Время измерения t, мин |
Скорость счета n, имп/мин |
n-nф |
lg(n-nф) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По результатам измерений построить график зависимости lgn=f(d), по которому определить величину μ. По графикам (см. приложение, рис. 3, 4, 5, 6) определить энергию γ-квантов. Полученное значение энергии γ-квантов сравнить с табличными значениями (см. приложение 2, табл. 6) и определить погрешность измерения.
3. Техника безопасности
Перед началом работы каждому исполнителю необходимо получить у лаборанта дозиметр для измерения дозы облучения. Источники γ-излучения брать только пинцетом. После укладки источника в коллиматор закрыть обратную сторону коллиматора свинцовой защитой.
В процессе выполнения работы необходимо принимать меры для уменьшения дозы облучения, помня при этом, что доза облучения от точечного источника пропорциональна времени и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Дозы облучения после работы измеряет лаборант, докладывает преподавателю и заносит в журнал учета доз. Так как в электрической схеме установки имеется опасное напряжение (400 В), вскрывать электрическую схему ЗАПРЕЩАЕТСЯ.
Контрольные вопросы
С каким видом излучения выполняется работа?
Что такое гамма-излучение?
Каков спектр гамма-излучения?
Какие процессы определяют ослабление гамма-излучения в веществе?
Что такое поток гамма-излучения?
Что такое плотность потока гамма-излучения?
Что такое массовый коэффициент ослабления гамма-излучения?
Каков физический смысл линейного коэффициента ослабления гамма-излучения?
Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения в свинце равен 0,5 см-1. Чему равна энергия гамма-квантов?
Слой половинного ослабления гамма-излучения в свинце равен 1,4 см. Чему равна энергия гамма-квантов?
Массовый коэффициент ослабления гамма-излучения в свинце равен 0,02 м2/кг. Чему равна энергия гамма-квантов?
Какая математическая зависимость описывает ослабление гамма-излучения в веществе?
Какие условия должны соблюдаться, чтобы ослабление гамма-излучения в веществе описывалось экспонентой?
Какой вид имеет график зависимости lgφγ=f(d)?
Как по графику lgφγ=f(d) определить энергию гамма-излучения?
Для чего нужны коллиматоры в данной работе?
Каковы пути уменьшения дозы облучения от точечного источника гамма-излучения?
Как измениться доза облучения пальцев рук, если вместо пинцета (R=25см) источник брать руками (R=0,5см)?
Чем обеспечивается необходимая точность измерений в данной работе?
Какой радионуклид исследовался в данной работе?
Какова энергия гамма-излучения у радионуклида в данной работе?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5