МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ

Зав. каф. 12 ФТФ

проф., д-р физ. мат. наук

_____________А.П.Потылицын

_____________2010 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Определение коэффициентов ослабления гамма- излучения различными материалами

Лабораторный практикум по курсам "Математическая обработка результатов экспериментов" и "Метрология радиационного эксперимента" для студентов, обучающихся по дневной форме по направлению 140300 "Ядерные физика и технологии", специальности 140302 "Физика атомного ядра и частиц" и специальности 140307 "Радиационная безопасность человека и окружающей среды".

Составители: доцент Каратаев В.Д.

асс. Рогова Н.С.

Томск 2010

Цель работы: С помощью поглотителей из меди и свинца снять кривую ослабления ионизирующего излучения от радиоактивного источника и используя метод наименьших квадратов, подобрать к ней эмпирическую зависимость.

Введение

Взаимодействие излучения с веществом

При прохождении через среду излучение от радиоактивного источника производит ее ионизацию и возбуждение. Различают: 1)непосредственно ионизирующее излучение (заряженные частицы) и 2)косвенно ионизирующее излучение (фотонное излучение, нейтроны). В принципе гамма - кванты способны непосредственно вызывать ионизацию. Однако их относят к косвенно ионизирующему излучению, так как число актов прямой ионизации незначительно по сравнению с числом актов ионизации, вызванных вторичными электронами.

1)Заряженные частицы - альфа и бета-излучение радиоактивного распада, а также ускоренные электроны и положительно заряженные ионы теряют свою энергию в среде за счет электромагнитного взаимодействия с электронными оболочками молекул (основной механизм), приводящего к их ионизации и возбуждению, а также в результате взаимодействия с кулоновским полем ядер и электронов, при котором инициируется тормозное рентгеновское излучение. Соответственно, потери энергии по этим каналам называются ионизационными и радиационными.

Для нерелятивистских тяжелых заряженных частиц средние ионизационные потери энергии на единице длины пути описываются формулой Бете:

(1)

где: Е - начальная кинетическая энергия частицы,

х - координата в направлении движения частицы;

z и е - заряд частицы и электрона, соответственно,

m - масса покоя электрона,

V_o - начальная скорость частицы,

Z - атомный номер среды,

А - атомная масса среды,

 - плотность среды,

N_o - число Авогадро,

I - средний потенциал возбуждения (геометрическое среднее всех потенциалов возбуждения и ионизации молекул среды).

Анализ формулы Бете позволяет сделать два важных вывода:

1)параметр ( - dE/dx )_ion резко возрастает с уменьшением скорости частицы,

2) при одинаковой энергии электронов и тяжелых заряженных частиц параметр (-dE/dx)_ion для электронов во много раз меньше, чем для тяжелых частиц, а глубина проникновения в вещество, соответственно, значительно больше.

Потери энергии тяжелых заряженных частиц на тормозное излучение (радиационные потери) малы по сравнению с ионизационными потерями. В случае электронов отношение радиационных потерь к ионизационным составляет:

(2)

где: Е - начальная энергия электронов, МэВ;

Z - атомный номер среды.

Полные потери энергии на единице пути заряженной частицы равны

сумме ионизационных и радиационных потерь:

(3)

2)Фотонное излучение (гамма - кванты и рентгеновское излучение) взаимодействует со средой по нескольким механизмам, определяемым как энергией фотонов, так и характеристиками среды. Для излучения, сопровождающего деление ядер урана в атомных реакторах (диапазон энергий - от нескольких кэВ до нескольких МэВ), главными процессами являются фотоэффект, комптоновское (некогерентное) рассеяние и образование электрон-позитронных пар. Именно в этих процессах генерируются электроны, ионизирующие и возбуждающие молекулы среды.

Ослабление фотонного излучения при прохождении через вещество:

(4)

где f и fo, м^-2. с^-1, соответственно, начальная плотность потока излучения и плотность потока излучения после прохождения слоя вещества толщиной х ,

 _осл - линейный коэффициент ослабления, м^-1.

Последний представляет собой сумму линейных коэффициентов поглощения и рассеяния:

_осл = _погл + _расс (5)

Ослабляющее действие принято также характеризовать слоем половинного ослабления, т.е. толщиной материала, проходя через который фотонное излучение уменьшается в два раза. Слой половинного поглощения для гамма - квантов для нескольких материалов приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Материал поглотителя	Толщина материала, см
Свинец	1,8
Грунт, кирпич	14
Сталь	2,8
Вода	23
Бетон	10
Дерево	30

Чем выше плотность материала поглотителя, тем больше кратность ослабления ионизирующего излучения.

Нахождение эмпирических зависимостей методом наименьших квадратов