Севастопольский национальный университет

ядерной энергии и промышленности

А.В. Афанасьев, В.В. Гуманный, Мясоедов Г.П.

Сборник лабораторных работ по основам ядерной физики и дозиметрии

Севастополь

2006

УДК 539.1 (076.1)

ББК Ц 621.039

В сборнике приведены лабораторные работы в области измерения различных величин, характеризующих ионизирующие излучения.

В сборнике рассмотрены некоторые теоретические и практические вопросы измерения физических величин в области ядерной физики и дозиметрии.

Сборник предназначен для студентов, изучающих физические основы дозиметрии и готовящиеся к деятельности в условиях применения источников ионизирующих излучений.

Лабораторная работа № 7 разработана Гуманным В.В.

Под общей редакцией А.В. Афанасьева

СОДЕРЖАНИЕ

	Стр.
Лабораторная работа №1 Определение активности нуклида относительным методом
Лабораторная работа №2 Определение периода полураспада искусственного радионуклида
Лабораторная работа №3 Определение верхней границы бета-спектра радионуклида по поглощению бета-излучения в алюминии
Лабораторная работа №4 Определение энергии гамма-квантов радионуклида по ослаблению узкого пучка излучения в веществе
Лабораторная работа №5 Определение вольт-амперной характеристики ионизационной камеры
Лабораторная работа №6 Определение параметров газоразрядного счетчика
Лабораторная работа №7 Определение нижней границы диапазона измерения блока детектирования мощности экспозиционной дозы гамма-излучения
Приложение 1. Термины и определения
Приложение 2. Численное значение некоторых физических постоянных
Приложение 3. Плотность и атомный (молекулярный) вес некоторых веществ
Приложение 4. Массово-энергетические соотношения
Приложение 5. Зависимость пробега β-излучения в алюминии от величины граничной энергии
Приложение 6. Линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения
Приложение 7. Линейные коэффициенты передачи энергии
Приложение 8. Единицы измерения ионизирующих излучений
Приложение 9. Основные свойства ядер
Приложение 10. Некоторые характеристики газоразрядных счетчиков гамма- и жесткого бета-излучения
Приложение 11. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Определение активности нуклида относительным методом

Цель работы:

Работа имеет цель практически обучить технике измерения активности в радиоактивном источнике относительным методом с заданной погрешностью измерения.

1. Введение

1.1. Общие понятия

Активность нуклида (нуклидов) в источнике есть отношение числа спонтанных ядерных превращений нуклида dN, происходящих в данном источнике за интервал времени dt, к этому интервалу (ГОСТ 15484-74).

Единицей измерения активности является одно ядерное превращение в секунду, которая в системе единиц (СИ) получила название беккерель, Бк.

Кюри – специальная единица активности, Кu

1 Кu = 3,7∙10¹⁰ ядерных превращений в секунду.

Производные единицы:

милликюри (1 мКu = 10^-3 Кu);

микрокюри (1 мкКu = 10^-6 Кu);

нанокюри (1 нКu = 10^-9 Кu);

пикокюри (1 пКu = 10^-12 Кu);

килокюри (1 кКu = 10³ Кu);

мегакюри (1 МКu = 10⁶ Кu);

Измерение активности источника излучения осуществляют путем регистрации излучений, испускаемых источником.

Наиболее распространено измерение активности методом счета числа частиц.

Различают два метода измерения активности: абсолютный и относительный.

При абсолютном методе измеряется либо полное число частиц, испускаемых источником, либо строго определенная их часть. Полное количество частиц, испускаемых источником, может быть зарегистрировано в условиях так называемой 4 π-геометрии.

Относительные измерения активности заключаются в сравнении скорости счета исследуемого источника со скоростью счета от стандартного источника (эталона), содержащего известное количество того же радионуклида.

Достоинство относительных измерений в их простоте и высокой точности, если сравнение активности источников происходит в строго тождественных условиях. Для правильного проведения относительных измерений активности исследуемых источников необходимо, чтобы форма и размеры их (площадь, толщина) были одинаковы со стандартным. Радиоактивное вещество должно быть равномерно распределено по всему объему источника. Подложки, на которых нанесены измеряемые препараты, должны быть выполнены из одинакового материала и иметь равную толщину. Все измерения должны проводиться на одной установке с один и тем же счетчиком и держателем для препаратов.

Следует отметить, что точность результатов измерения по этому методу бывает наилучшей при сравнимых активностях стандартного и исследуемого источников, когда они различаются не более чем в 10 раз. При сравнении источников с сильно различающимися активностями необходимо уменьшить скорость счета от более активного источника, помещая между источником и счетчиком специальный фильтр-диафрагму, имеющий известную кратность ослабления излучения.

Счет числа частиц осуществляется с помощью детекторов излучения, преобразующих энергию частиц в энергию электрических сигналов. Счет электрических сигналов осуществляется пересчетной установкой.

Любой детектор дает некоторое количество электрических сигналов (импульсов) и при отсутствии источника излучения. Это так называемый фон. Фон обусловлен космическим излучением, излучением природных радионуклидов, возможным загрязнением домика, детектора или лаборатории.

В связи с вышеизложенным определение активности исследуемого источника производится по соотношению:

где А_ст – известная (заданная) активность стандартного источника;

n_и – скорость счета импульсов от исследуемого источника (имп/мин);

n_ст – скорость счета импульсов от стандартного источника;

n_ф – скорость счета импульсов от фона;

к_д – коэффициент диафрагмирования, учитывающий кратность ослабления излучения фильтром – диафрагмой (при работе без фильтра – диафрагмы к_д=1).

Скорость счета импульсов определяется путем деления зарегистрированного числа импульсов N на время измерения:

1.2. Погрешности измерения активности

Результат измерения физической величины может отличаться от ее истинного значения из-за всевозможных погрешностей измерения. Знание величины погрешности позволяет судить о точности измерения и надежности полученного результата.

При измерении небольших активностей погрешность в основном определяется статистическим характером радиоактивного распада. Дело в том, что вероятности распада для каждого ядра одинаковы и равны постоянной распада λ, вполне определенной для данного радионуклида. Эта вероятность проявляется в том, что при очень большом числе ядер число ядерных превращений (активность) определяется выражением:

Однако при ограниченном числе ядер возможны случайные отклонения в числе превращений, а следовательно, и в числе зарегистрированных импульсов. Это и является основным источником погрешностей при измерении активности.

Абсолютной погрешностью измерения называют алгебраическую разность между показаниями прибора и истинным, или действительным, значением измеряемой величины. Ближе всего к истинному значению величины приближается среднее арифметическое измеренных значений величины в большом числе опытов.

Если в ряд опытов мы получим количество сосчитанных импульсов N₁, N₂, N₃,…N_i…N_n, то среднее значение будет

Мерой рассеяния (разбросанности) случайной величины относительно ее среднего значения является дисперсия измеряемой величины:

Величину называютсреднеквадратичной погрешностью измерения. Для измерения дисперсных случайных величин (какой является активность) в пределах будет находиться 68% измеренных значений, в пределах- 95% и в пределах- 99,7%.

Знание закона распределения погрешностей измерения позволяет оценивать погрешность по одному измеренному значению величины N. Теория дает значение для среднеквадратичной погрешности измерения

Результат такого измерения записывают в виде Так, если за некоторый промежуток времени прибором сосчитано 400 импульсов, тои результат измерения будет

Точность измерения характеризуется не абсолютной, а относительной среднеквадратичной погрешностью (как правило, выраженной в процентах):

Таким образом, для получения заданной точности измерения δ необходимо сосчитать число частиц, равное

Так, чтобы измерить число частиц с точностью 10%, нужно сосчитать 100 частиц, с точностью 1% - 10000 частиц.

Существенный вклад в погрешность измерения вносит наличие фона. Суммарная среднеарифметическая погрешность при наличии фона определяется соотношением

Это усложняет отыскание необходимого числа импульсов, обеспечивающего заданную точность измерения. Для облегчения нахождения необходимого числа импульсов фона и от источника пользуются имеющейся в лаборатории таблицей.

При оценке точности полученного результата измерения активности необходимо учитывать относительные погрешности измерений числа импульсов от исследуемого препарата δ_и, от стандартного препарата δ_ст и от фона δ_ф.

Кроме того, необходимо учитывать указанную в паспорте стандартного препарата относительную погрешность значения активности δ_А. Общая погрешность полученного результата определения активности может быть приближенно вычислена по формуле:

Более точные формулы расчета точности измерений будут изучены в курсе «Радиометрия».

1.3. Описание лабораторной установки

Структурная схема лабораторной установки показана на рис. 1.1. Она создана на основе корабельного радиометра КРВП-3Б с добавлением блока регулировки напряжения.

Свинцовый домик служит для защиты газоразрядного счетчика от фонового излучения. Газоразрядный счетчик (СБТ-10) преобразует энергию частиц в электрические импульсы. При попадании бета-частицы в счетчик за счет ионизации в нем возникает газовый разряд, который вызывает импульс тока во внешней цепи счетчика. Количество импульсов считается пересчетной установкой.

Рис. 1.1. Структурная схема лабораторной установки:

1 – свинцовый домик;

2 – газоразрядный счетчик;

3 – блок регулировки напряжения

4 – пересчетная установка

На счетчике должно быть постоянное напряжение 400 В. Оно подается с блока регулировки напряжения. Блок имеет вольтметр и потенциометр для регулировки.

Пересчетная установка КРВП-3Б обеспечивает объем счета 10⁵ импульсов, при предельной частоте счета импульсов 2000 имп/с. Снятие показаний осуществляется с пяти декатронов. В пересчетную установку входит также секундомер. Пуск, остановка и сброс счета на нуль производится одной кнопкой синхронно с секундомером. На лицевой панели расположены органы управления пересчетной установки: выключатель питающей сети, тумблер рода работ (работа со счетчиком или проверка от сети). Ручка «Уровень дискриминации» служит для отсечения импульсов, амплитуды которых меньше определенного уровня.

2. Выполнение лабораторной работы

2.1. Проверка установки и подготовка к работе

а) Ознакомиться с распределением и назначением блоков установки, органов включения и управления, расположенных на лицевой панели пересчетного блока. Выключатель сети должен быть в положении «Выкл.», переключатель рода работы – в положении «Работа», потенциометр на блоке регулировки напряжения – в крайнем левом положении.

б) Проверить завод часов, установить секундомер в исходное состояние кнопкой «Пуск».

в) Подать напряжение на установку. Выключатель сети поставить в положение «Вкл.», при этом должны загореться сигнальная лампочка и засветиться декатроны. По истечении трех минут потенциометром на блоке регулировки напряжения установить напряжение питания счетчика – 400 В.

г) Убедиться в исправности установки, для чего: перевести переключатель рода работы в положение «Проверка», нажатием кнопки «Пуск» запустить секундомер и пересчетную схему. Количество зарегистрированных декатронами импульсов должно быть за 10 с 1000 имп. ±3%, что будет соответствовать частоте 100 Гц.

д) Проверить фон, для чего: переключатель рода работы поставить в положение «Работа», нажатием кнопки «Пуск» включить пересчетную схему и определить число импульсов от фона, регистрируемое установкой за 1 минуту. Для счетчика СБТ-10 число импульсов не должно превышать 150 имп/мин.

2.2. Производство измерений

а) Получить два источника бета-излучения – стандартный и исследуемый.

б) Произвести оценочные измерения скорости счета от источников в течение 1 минуты от каждого.

Для уменьшения погрешности из-за просчетов вследствие ограниченности разрешающей способности установки скорость счета не должна превышать 6000 имп/мин.

При слишком большой скорости счета следует поместить источники на нижнюю полку или воспользоваться фильтром – диафрагмой с известной кратностью ослабления.

в) Произвести измерение скорости счета в течение рассчитанного времени от фона стандартного и исследуемого источников. Произвести расчет активности исследуемого источника. Оформить отчет по лабораторной работе.

2.3. Оформление отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется на стандартном бланке. До начала работы должны быть заполнены разделы отчета: «Схема установки», «Технические данные основного оборудования», «Краткое содержание работы и порядок выполнения».

В разделе «Результаты наблюдений» чертится таблица.

Таблица 1.1 Данные измерений активности

№ изм.	Объект измерения	t, мин	N, имп	n, имп/мин	n – nф, имп/мин
I	Грубо
1	Фон
2	Источник стандартный
3	Источник исследуемый
II	Точность, 5%
1	Фон
2	Источник стандартный
3	Источник исследуемый

В разделе «Обработка результатов наблюдений и выводы» необходимо показать расчеты по определению активности и среднеквадратичную погрешность измерений.

3. Техника безопасности

Так как данная лабораторная работа проводится первой в практикуме по ядерной физике, то до ее начала все студенты проходят инструктаж по технике безопасности работы с источниками ионизирующих излучений и электрооборудованием с заполнением «Журнала инструктажа».

При работе с источниками бета-излучения особое внимание следует обратить на сохранение целостности фольги, закрывающей источник. Источники разрешается брать только пинцетами. Запрещается оставлять источники лежать длительное время вне домика или пенала.

При работе с установкой нужно помнить, что в блоках установки имеются высокие напряжения, опасные для жизни. В связи с этим КАТЕГОРИЧЕСКИ ВОСПРЕЩАЕТСЯ производить вскрытие электрических схем блоков. Обо всех неисправностях в работе аппаратуры необходимо докладывать преподавателю или лаборанту. Ремонт аппаратуры разрешается выполнять только лицу, ответственному за аппаратуру.

Контрольные вопросы

1. Что такое активность источника?

2. В каких единицах измеряют активность?

3. Какие методы применяют для измерения активности?

4. В чем смысл абсолютного метода измерения активности?

5. В чем смысл относительного метода измерения активности?

6. Какие условия должны быть одинаковыми при измерении активности относительным методом?

7. Чем обусловлено наличие фона при измерении активности?

8. От чего зависит величина погрешности при измерении активности?

9. Каким образом можно уменьшить погрешность измерения до заданного уровня?

10. Как изменится относительная погрешность измерения активности при увеличении числа сосчитанных импульсов в 100 раз?

11. Как определить необходимое число сосчитанных импульсов от фона и от источника для обеспечения заданной точности?

12. Какие меры необходимо принимать при большой разнице числа импульсов от стандартного и исследуемого источника?

13. Какие блоки входят в состав лабораторной установки?

14. Для чего необходим свинцовый домик?

15. Какой тип детектора используется в данной работе?

16. Каков принцип работы используемого детектора?

17. Какое напряжение необходимо подавать на счетчик?

18. Какое устройство применяется для снятия информации о числе импульсов?

19. Как проверяется исправность пересчетного блока?

20. Каков допустимый фон для счетчика СТБ-10?

21. Источники, какого вида излучения используется в работе?

22. Какое время необходимо обсчитывать источники для оценки необходимого времени измерения?

23. Какая точность измерения задана в эксперименте?

24. Что необходимо предпринять при слишком большой скорости счета?

25. До какой скорости счета несущественны погрешности от просчетов и из-за ограниченной разрешающей способности установки?

26. Какова относительная квадратичная погрешность Ваших измерений?

27. Чем перекладывают источники излучений?

28. Чем должны храниться бета-источники в период между измерениями?

29. Кому разрешается вскрывать электрическую схему установки?

30. Выразить в кюри активность источника, в котором происходит 18500 ядерных превращений в секунду?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2