Министерство топлива и энергетики Украины

Севастопольский национальный институт

ядерной энергии и промышленности

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

ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ, РАДИОХИМИИ И ДОЗИМЕТРИИ

Методические указания для студентов-заочников

Одобрено Ученым Советом СНИЯЭиП

Севастополь – 2003 г.

УДК. 539.16.08 (07)

А. 941.

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

Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии

Методические указания для студентов-заочников. Учеб. пособие.-Севастополь: СНИЯЭиП, 2003.

Рассмотрены программа подготовки курса и даны методические указания по выполнению контрольных работ и курсового проекта.

Предназначены для студентов-заочников специальностей:

-химическая технология редких и рассеянных элементов и материалов на их основе;

-метрология;

-экология.

Рецензенты: В.А. Бржезинский

В.К. Малышев

© Издание СНИЯЭиП, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………	3
1. Программа изучения дисциплины………………………………………..	5
2. Контрольные работы по ПЯФ…………………………………………….	14
3. Базовые контрольные вопросы по ПЯФ…………………………………	21
4. Контрольные работы по дозиметрии…………………………………….	39
5. Базовые контрольные вопросы по дозиметрии………………………….	41
6. Методические указания по выполнению курсового проекта…………..	54

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие Методические указания предназначены для изучения дисциплины: “Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии” студентами-заочниками факультета “Химических технологий ядерно-энергетического комплекса” по специальности “Химическая технология редких и рассеянных элементов и материалов на их основе”.

Кроме того, Методические указания могут быть использованы студентами специальности “Метрология” для изучения курса “Дозиметрия ионизирующих излучений” и студентами специальности “Экология” при изучении курса “Основы ядерной физики и дозиметрии”.

В полном объеме Методические указания (далее МУ) предназначены для студентов-химиков. Они изучают дисциплину на протяжении двух семестров – четвертого и пятого. Для них в первом разделе настоящих МУ приведена учебная программа дисциплины “Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии”. Они в четвертом семестре изучают раздел “Прикладная ядерная физика”, выполняют две контрольные работы, приведенные в разделе втором МУ и сдают экзамен.

При изучении этого раздела и выполнений контрольных работ основным учебником должен быть учебник: Житков Р.Д. Прикладная ядерная физика. М.: Воениздат, 1975 г., в качестве справочника следует использовать пособие: Афанасьев А.В., Жданов В.И. Сборник лабораторных работ по прикладной ядерной физике. Воениздат, 1982 г. При их отсутствии можно использовать любой ВУЗовский учебник по ядерной физике и любой справочник по ядерной физике.

Прежде, чем выполнять контрольные работы, студенты должны изучить теоретический материал в соответствии с Программой по учебнику.

В порядке проверки усвоения материала и подготовки к экзамену следует проверить свои знания по приведенным в разделе три МУ базовым вопросам по разделу. При затруднении в ответах на них – ознакомиться с краткими ответами, приведенными в этом разделе. После этого можно выполнять контрольные работы по этому разделу.

При изучении второго раздела программы – “Основы дозиметрии” студенты-химики выполняют курсовой проект и сдают итоговый экзамен по дисциплине.

Методические указания по выполнению курсового проекта приведены в разделе шесть настоящих МУ. Перед выполнением курсового проекта и в порядке подготовки к экзамену следует изучить материал по учебнику, проверить его освоение по приведенным базовым вопросам, обращая особое внимание на описание того детектора, который задан в курсовом проекте.

Студентам-метрологам, изучающим дисциплину “Дозиметрия ионизирующих излучений”, следует ознакомиться со вторым разделом приведенной программы курса ( Раздел первый настоящих МУ) и с содержанием базовых вопросов, приведенных в разделе пять МУ.

Студентам-метрологам предусмотрено Учебным планом выполнения двух контрольных работ и сдаче зачета с оценкой. Первая – Контрольная работа № 1 по дозиметрии. Вторая – Контрольная работа № 3 по дозиметрии. Их содержание приведено в разделе четыре МУ.

В качестве основного пособия при выполнении контрольной работы № 1 следует использовать учебное пособие: Афанасьев А.В. Дозиметрические величины и единицы их измерения. Севастополь, СНИЯЭиП, 2002 г.

В качестве основного учебника для выполнения контрольной работы № 3 и для сдачи зачета следует использовать или Савченко И.В. Теоретические основы дозиметрии, ВМФ, 1985 или Москаленко В.А., Смоленцев В.В. Теоретические основы корабельной дозиметрии, КВВМКУ, 1980. В случае их отсутствия можно использовать любой другой ВУЗовский учебник по дозиметрии.

Дисциплина, изучаемая студентами-экологами, по числу часов, отведенных Учебным планом является скорее ознакомительной. При ее изучении предусмотрено выполнение одной контрольной работы и сдача зачета с оценкой. Они выполняют контрольную работу № 1 по дозиметрии, приведенную в разделе четыре настоящих МУ. При ее выполнении следует использовать учебное пособие Афанасьев А.В. Дозиметрические величины и единицы их измерения. Севастополь, СНИЯЭиП, 2002 г.

При подготовке к зачету следует использовать разделы 1, 2, 3, 7. и 3 книги “Вопросы дозиметрии и радиационной безопасности на АЭС”. под ред. А.В. Носовского, Славутич, Укратомиздат, 1998 г. При ее отсутствии можно использовать любые ВУЗовские учебники по дозиметрии. При подготовке к зачету полезными окажутся базовые вопросы по разделу “Основы дозиметрии”, приведенные в разделе пять настоящих МУ.

1. Учебная программа дисциплины

“Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии”

1.1. Содержание учебной программы

1.1. Введение.

1. Роль и назначение дисциплины.

Дисциплина «Основы ядерной физики, дозиметрии и радиохимии» предназначена для формирования у специалиста представлений о физической картине строения атомных ядер, явлений радиоактивности и процессов измерения ионизирующих излучений.

2. Цели и задачи преподавания дисциплины.

1. Обучить слушателей основам прикладной ядерной физики с упором на ее крупный самостоятельный раздел – дозиметрию ионизирующих излучений в объеме, позволяющем обеспечить базовую подготовку бакалавра химической технологии и инженерии и в последующем – специалиста по обеспечению радиационной безопасности АЭС.

2. Привести к пониманию ядерного строения вещества, процессов происходящих в ядерном реакторе – основном источнике излучений и загрязнений на АЭС, а также методов и средств измерения ионизирующих излучений. Сформировать у студентов количественный подход к оценке степени опасности для человека тех или иных работ, связанных с ионизирующими излучениями.

3. В результате изучения дисциплины «Основы ядерной физики, радиохимии дозиметрии и» студенты должны

ЗНАТЬ:

1. Прикладные положения современной теории строения и свойства атомных ядер, основы теории ядерных реакций, как источника ядерной энергии.

2. Физико-математическую сущность явлений и эффектов, связанных с радиоактивными превращениями атомных ядер.

3. Особенности различных видов излучения с точки зрения взаимодействия их с веществом, воздействия их на человека, выбора материалов защиты и методов их измерения.

4. Величины, характеризующие ионизирующие излучения, единицы их измерения.

5. Устройство, принцип действия и характеристики детекторов ионизирующих излучений.

УМЕТЬ:

1. Применять полученные знания для обоснования научно-технических положений, анализа экспериментальных данных и производства расчетов по основам профилирующим дисциплинам.

2. Проводить эксперименты в области радиоактивности.

3. Экспериментально определять основные эксплуатационные характеристики детекторов.

БЫТЬ ОЗНАКОМЛЕННЫМИ:

1. С релятивистскими и квантово-механическими представлениями о физике микромира.

2. С перспективами развития энергетики на основе термоядерного синтеза.

3. С перспективными методами дозиметрии и детекторами ионизирующих излучений.

1.2. Содержание дисциплины.

1.2.1. Введение.

Предмет и задачи курса. Краткий исторический обзор развития ядерной физики и дозиметрии. Связь курса с другими дисциплинами. Порядок изучения дисциплины, отчетности по дисциплине. Основная и дополнительная литература, используемая при изучении дисциплины.

1.2.2. Раздел I. Прикладная ядерная физика.

1. Строение и свойства атомных ядер.

Тема 1.1. Особенности физики микромира.

Квантово-механические представления о физике микромира. Относительность массы и энергии, пространственных размеров и хода времени для микросистем, находящихся в движении.

Тема 1.2. Общие свойства атомных ядер.

Структурные частицы атомного ядра. Виды атомных ядер. Протонно-нейтронная теория строения атомных ядер. Заряд и масса атомных ядер. Размеры атомных ядер. Механические и электромагнитные свойства атомных ядер.

Тема 1.3. Энергия связи атомных ядер.

Взаимосвязь энергии и массы в ядерно-физических процессах. Дефект массы атомных ядер. Устойчивость атомных ядер и их энергия связи. Капельная модель атомного ядра. Оболочечная модель атомного ядра. Вычисление энергии связи атомных ядер через декремент их массы. Полуэмпирическое уравнение для вычисления энергии связи и изотопической масс атомных ядер. (Вайцзеккера-Ферми). Изотопный состав элементов. Систематика ядерных изотопов. Методы разделения изотопов.

Тема 1.4. Радиоактивность атомных ядер.

Типы радиоактивных превращений атомных ядер. Экспоненциальный закон радиоактивного распада атомных ядер. Единицы измерения радиоактивности. Общее уравнение накопления и распада радиоактивных атомных ядер. Радиоактивное равновесие (подвижное и вековое). Отсутствие радиоактиввного равновесия. Радиоактивные свойства членов ряда (семейств).

2. Ядерные излучения и взаимодействие их с веществом.

Тема 2.1. Альфа излучение атомных ядер.

Энергетические спектры альфа-изучения атомных ядер. Механизм альфа-распада атомных ядер. Пробег альфа-частиц в веществе. Закон Гейгера-Нэттола. Процессы, вызывающие потерю энергии альфа-частиц при прохождении их через вещество.

Тема 2.2. Бета-излучение атомных ядер.

Природа бета-превращений атомных ядер. Спектры бета-излучения. Нейтрино. К-захват атомных ядер. Потери энергии бета-частицами при прохождении их через вещество. Определение пробега бета-частиц. Соотношение между энергией и пробегом бета-частиц.

Тема 2.3. Гамма-излучение атомных ядер.

Общие свойства гамма-излучения. Внутренняя конверсия гамма-излучения. Ядерная изомерия. Рассеяние гамма-квантов на свободных электроннах («Комптон-эффект»). Фотоэлектронное поглощение гамма-квантов («Фотоэффект»). Образование нейтронно-позитронных пар (эффект-пар). Закон ослабления гамма-излучения атомных ядер. Доза и мощность дозы гамма-излучения.

3. Искусственные превращения атомных ядер.

Тема 3.1. Ядерные реакции.

Общий ход ядерной реакции. Энергетический эффект и роль кулоновского барьера в ядерных реакциях. Механизм и конкуренция ядерных реакций. Выход и эффективное сечение ядерных реакций. Специфика протекания ядерных реакций на заряженных частицах. Ядерный фотоэффект.

Тема 3.2. Основы нейтронной физики.

Свойства нейтронов, радиоактивность свободных нейтронов. Нейтронные генераторы. Особенность процесса замедления нейтронов. Диффузия нейтронов, альбедо-эффект. Ядерные реакции радиационного захвата нейтронов. Нейтронные реакции с образованием протонов и гелионов.

4. Ядерное деление и термоядерный синтез.

Тема 4.1. Деление тяжелых атомных ядер на нейтронах.

Нуклонно-энергетические соотношения и механизм деления атомных ядер. Деление атомных ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. Нейтроны, образующиеся при делении тяжелых атомных ядер. Ядра-осколки деления. Энергетический баланс деления тяжелых атомных ядер. Цепная реакция деления. Виды нейтронно-делящихся материалов. Практическое использование цепных процессов деления.

Тема 4.2. Термоядерный синтез.

Общая характеристика и механизм ядерных реакций синтеза. Энергетический баланс термоядерных реакций синтеза. Термоядерные реакции синтеза на основе изотопов водорода и лития. Физические условия для осуществления термоядерного взрыва.

2.3. Раздел II Основы дозиметрии.

1. Физические основы дозиметрии.

Тема 1.1. Взаимодействие излучения с веществом.

Характеристики ионизирующих излучений. Преобразование энергии гамма-излучения в веществе. Электронное равновесие. Ионизация газовой полости в твердом теле. Взаимодействие нейтронного излучения с веществом. Единицы измерения ионизирующих излучений. Общее понятие о нормировании уровней излучения и загрязнений.

2. Детекторы ионизирующих излучений.

Тема 2.1. Ионизационная камера.

Принцип работы токовой ионизационной камеры. Вольтамперная характеристика ионизационной камеры. Условия насыщения. Зависимость тока насыщения от мощности дозы гамма-излучения. Энергетическая чувствительность полостной ионизационной камеры. Влияние условий измерения на чувствительность ионизационной камеры.

Измерение дозы гамма-излучения ионизационными камерами. Индивидуальные ионизационные дозиметры.

Тема 2.2. Газоразрядные счетчики.

Принцип работы газоразрядного счетчика. Режимы работы счетчиков. Гашение разрядов в счетчике.

Параметры импульсов напряжения счетчика. Счетная характеристика газоразрядного счетчика. Эффективность. Нагрузочная характеристика. Энергетическая зависимость чувствительности счетчика.

Импульсные и токовые схемы включения счетчиков в приборах дистанционного контроля излучений.

Тема 2.3. Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений.

Принципы работы ППД. Дозиметрические характеристики ППД прямой проводимости. ППД с p-n переходом, их использование для измерения различных видов ионизирующих излучений.

Тема 2.4. Сцинтилляционные счетчики.

Принцип работы сцинтилляционного счетчика. Механизм люминесценции в неорганических и органических сцинтилляторов. Основные характеристики сцинтилляторов.

Характеристики фотоэлектронных умножителей, имеющих значение для дозиметрии. Схемы включения ФЭУ в сцинтилляционных счетчиках. Параметры импульсов напряжения на нагрузке ФЭУ.

Регистрация излучений сцинтилляционными счетчиками. Энергетическая зависимость чувствительности счетчиков в счетном и токовом режиме.

Тема 2.5. Люминесцентные методы дозиметрии.

Механизм радиофотолюминесценции. РФЛ-дозиметры. Измерение радиофотолюминесценции.

Механизм радиофотолюминесценции, РТЛ-дозиметры. Зависимость чувствительности РТЛ-дозиметров от мощности дозы и дозы. Затухание термолюминесценции. Измерение радиотермолюминесценции.

Тема 2.6. Фотографические и химические методы дозиметрии.

Принцип фотографического метода. Сенситометрическая характеристика пленки. Энергетическая зависимость от чувствительности фотодозиметра. Химический метод дозиметрии. Радиолиз воды. Химические дозиметры.

Заключение.

Обобщение курса. Краткий обзор современного состояния и перспективы развития ядерной физики и дозиметрии.

Перечень рекомендуемых практических занятий, лабораторных работ, курсовых работ и т.д.

1. Вычислительные практические занятия по расчетам характеристик атомных ядер, ионизирующих излучений и детекторов.

2. Расчетно-графические работы по определению энергетической зависимости чувствительности детекторов ионизирующих излучений.

3. Лабораторный практимум по основам ядерной физики:

-измерение активности относительной методом;

-измерение периода полураспада искусственного радионуклида;

-измерение энергии бета-излучения по поглощению.

4. Лабораторный практикум по основам дозиметрии:

-снятие характеристик детекторов ионизирующих излучений.

5. Курсовой проект: Проект блока детектирования гамма-излучения.