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.

1. Введение

   1. 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 dN_γ, проникающих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу

Плотность потока гамма-квантов – это отношение потока dФ_γ, 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 φ_γ0 и φ_γ – 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 d_1/2

либо по тангенсу угла наклона α

При проведении работы измеряют не плотность потока φ_γ 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.

2. 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

N_ф= импульсов за t = минут

n_ф= 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

1. С каким видом излучения выполняется работа?

2. Что такое гамма-излучение?

3. Каков спектр гамма-излучения?

4. Какие процессы определяют ослабление гамма-излучения в веществе?

5. Что такое поток гамма-излучения?

6. Что такое плотность потока гамма-излучения?

7. Что такое массовый коэффициент ослабления гамма-излучения?

8. Каков физический смысл линейного коэффициента ослабления гамма-излучения?

9. Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения в свинце равен 0,5 см^-1. Чему равна энергия гамма-квантов?

10. Слой половинного ослабления гамма-излучения в свинце равен 1,4 см. Чему равна энергия гамма-квантов?

11. Массовый коэффициент ослабления гамма-излучения в свинце равен 0,02 м²/кг. Чему равна энергия гамма-квантов?

12. Какая математическая зависимость описывает ослабление гамма-излучения в веществе?

13. Какие условия должны соблюдаться, чтобы ослабление гамма-излучения в веществе описывалось экспонентой?

14. Какой вид имеет график зависимости lgφ_γ=f(d)?

15. Как по графику lgφ_γ=f(d) определить энергию гамма-излучения?

16. Для чего нужны коллиматоры в данной работе?

17. Каковы пути уменьшения дозы облучения от точечного источника гамма-излучения?

18. Как измениться доза облучения пальцев рук, если вместо пинцета (R=25см) источник брать руками (R=0,5см)?

19. Чем обеспечивается необходимая точность измерений в данной работе?

20. Какой радионуклид исследовался в данной работе?

21. Какова энергия гамма-излучения у радионуклида в данной работе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5