Федеральное агентство по образованию

_________________

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

____________________________________________________________________

Кафедра «Строительство ядерных установок»

Методические указания

к лабораторным и самостоятельным работам

по дисциплине «Строительство ядерных установок»

для студентов дневного отделения факультета

«Теплоэнергетическое строительство»

Москва 2010

Составители:

профессор, кандидат техн. наук Н.И. Бушуев,

профессор, кандидат техн. наук А.В. Денисов,

профессор, доктор техн. наук И.А. Енговатов,

доцент, кандидат техн. наук С.И. Степкин

Рецензент

проф. доктор техн. наук Гетманов В.Б.

Содержание

№ п.п.	Наименование	№ стр.
1.	Введение …………………………………………………………………………..
2.	1. Основные сведения о регистрации и взаимодействии гамма-излучения с веществом …………………………………………………………..…………….
3.	2. Описание лабораторных работ……………………………………………….
4.	2.1. Лабораторная работа № 1. Определение массового и линейного коэффициентов ослабления гамма-излучения ……………………………......................
5.	2.2. Лабораторная работа № 2. Определение объемной массы защитных бетонов радиационным методом .………………………………………………..
6.	2.3. Лабораторная работа № 3. Прохождение излучения через неоднородности в защите………………………………………………………………………...
7.	Приложение. Задания для проведения самостоятельных исследований ..…….

Введение

Учебным планом предусмотрено выполнение цикла лабораторных работ по дисциплине «Строительство ядерных установок». Студенты в учебной лаборатории кафедры приобретают экспериментальные навыки, необходимые для прочного усвоения теоретического материала и которые могут быть полезны как для инженеров-исследований и проектировщиков.

Назначение методических указаний - познакомить студентов с методами определения защитных характеристик материалов, определением плотности строительных материалов различными методами с использованием источников ионизирующих излучений, исследования влияния неоднородностей на увеличение мощности дозы за защитным экраном и др.

В методических указаниях в сжатой форме рассмотрены наиболее важные аспекты практического использования ионизирующих излучений.

Кроме предлагаемых лабораторных работ, могут проводиться и другие работы, разработанные на кафедре «Строительство ядерных установок».

1. Основные сведения о гама-излучении

Взаимодействие ионизирующих излучений со средой приводит к возбуждению атомов и молекул с образованием свободных элект­ронов и положительных ионов. Эти процессы, в свою очередь, приво­дят к изменению свойств среды - к повышению температу­ры, химическим превращениям, излучению света, изменению объема и т.д.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом обусловлено тремя процессами:

- фотоэффектом, при котором атом поглощает фотон и испускает электрон (процесс наиболее вероятен при энергии гамма-излучения до 0,2 МэВ);

- комптоновским рассеянием, при котором фотон передает часть энергии орбитальному электрону, выбивая его с орбиты, асам рассеивается на некоторый угол относительно первоначального направления (процесс является основным в области энергий гамма-излучения от 0,2 МэВ);

- образование в поле тяжелого ядра электрон-позитронных пар (процесс возможен при энергии больше 1,022 МэВ и наиболее вероятен при энергии гамма-излучения выше 5 МэВ).

В результате процессов взаимодействия гамма - квантов с веществом интенсивность первоначального потока фотонов, прошедшего через защитный экран толщиной x, ослабляется по закону:

, ( 1.1 )

где J₀ - первоначальный (падающий) поток фотонного излучения;

J_x - поток фотонного излучения после защитного экрана;

x - толщина защитного экрана;

µ - полное сечение взаимодействия гамма-излучения (линейный коэффициент ослабления, см ^-1.

Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения μ характеризует способность данного материала ослаблять интенсивность гамма-излучения. Для многих строительных материалов значение коэффициента приблизительно пропорционально их плотности ρ. Массовый коэффициент ослабления μ_m гамма-излучения с энергией E для большинства строительных материалов является приблизительно постоянной величиной.

Коэффициент ослабления μ зависит от энергии излучения E и атомного номера среды Z. Различают линейный коэффициент ослабления µ, характеризующий ослабление фотонного излучения на единице пути в среде и массовый коэффициент ослабления μ_m, представляющий собой отношение линейного коэффициента к плотности ρ среды (г/см³), через которую проходит фотонное излучение.

Массовый коэффициент ослабления, имеет размерность см²/г и характеризует ослабление излучения единицей массы вещества. При использовании массового коэффициента ослабления толщина защитного экрана выражается в г/ см².

Из закона ослабления гамма-излучения ( 1.1 ) может быть получено выражение для определения μ. После логарифмирования формула этого закона приобретает следующий линейный от x вид:

, ( 1.2 )

где J₀ и J_x - интенсивность излучения, падающего на защитный экран и вышедшего из него;

x - толщина экрана.

На основании экспериментальных данных об ослаблении гамма-излучения при его прохождении через защитные экраны можно определить значения μ для исследуемых материалов.

2. Описание лабораторных работ

2.1. Лабораторная работа № 1

Определение массового и линейного коэффициентов

ослабления гамма-излучения

Цель работы - изучение закономерностей ослабления гамма-излучения

при прохождении его через защитные бетонные экраны.

Экспериментальная установка и методика выполнения работ.

Принципиальная блок-схема экспериментальной установки представлена на рис.2.1.

Рис. 2.1 Блок – схема экспериментальной установки

Питание счетчика и формирование электрического импульса с заданными параметрами обеспечивает блок включения газоразрядных счетчиков БДПС - 2. Пересчетное устройство УС-6 предназначено для измерения количества электрических импульсов, с параметрами, соответствующими установленным для входных сигналов за установленные интервалы времени.

Счетчик СБТ – 10 работает в гейгеровском режиме, т.е. каждому гамма – кванту, попавшему в счетчик, соответствует импульс электрического тока (электрический сигнал) на входе УС-6, поэтому существует прямая зависимость между интенсивностью гамма – излучений (J) источника на заданном расстоянии и скоростью счета (n = ) прибора УС-6:

где N - зарегистрированное число импульсов за промежуток времени ;

- коэффициент пропорциональности.

Во всех дальнейших расчетах удобно оперировать величиной N вместо J.

В качестве исследуемых защитных экранов используются образцы – пластинки из бетонов (обычный, шамотный, магнетитовый, магнезитовый и др.) различной плотности толщиной около 1 см. При этом измеряется скорость счета n импульсов прибором УС-6, характеризующая интенсивность излучения J при отсутствии (n_о) и при наличии (n_х) на пути пучка излучения того или иного количества пластин из бетона различной плотности. Для исключения систематической ошибки измерений, связанной с наличием в помещении естественного фона, в отсутствии источника измеряется скорость счета n_ф и вычитается из измеренных с фоном значений n_о^/ и n_х^/ для получения действительных значений n_о и n_х.

На основании полученных данных строится зависимость lg n_х от x и рассчитывается значение коэффициента μ и μ_m по формулам ( 1.2 ) и ( 1.4; )

( 2.1 )

( 2.2 )

Для определения значения коэффициента μ c большей точностью необходимо воспользоваться методом наименьших квадратов, позволяющим определить такое значение μ, которое при использовании его в расчетах дает наименьшее суммарное отклонение расчетных значений lg n от экспериментальных данных.

Подготовка установки к работе

1. Подсоединение кабелей приборов установки осуществляет сотрудник лаборатории.

2. Включение высокого напряжения на блоке питания (тумблер включения находится на задней панеле) выполняет сотрудник лаборатории.

3. Включить пересчетный прибор УС-6 – загораются индикаторы.

Измерение радиационного фона

В работе измеряется радиационный фон в месте расположения счетчика СБТ -10.

1. Установить экспозицию 100 секунд – индикатор ЭКСПОЗИЦИЯ.

2. Нажать индикатор ПУСК.

Начинается набор импульсов, который останавливается автоматически при окончании времени экспозиции. Об окончании набора сообщается посредством звукового сигнала. Звуковой сигнал прерывается индикатором СТОП. При повторном нажатии ПУСК, предыдущие показания стираются.

3. После остановки счета запишите показания количества импульсов N₁ в столбец 2 табл. 2.1.

Таблица 2.1

Время измерения , с	Число импульсов Nф,
1	2	3	4	5	6
100	N1 =
	N2 =
	N3 =
	N4 =
	N5 =

4. Повторить последовательно еще 4 раза измерения по пунктам 2 - 3 и занесите значения N₂ , N₃, N₄, и N₅ в столбец 2 табл. 2.1.

5. Вычислите значения соответствующих величин для столбцов 3 и 4.

6. Определите границы доверительного интервала по формуле ,

где t_p(P, m-1) - величина, зависящая от величины доверительной вероятности Р (задается преподавателем), m – числа измерений и числа степеней свободы m-1, принимаемая по табл. 2.2.

7. Вычислите и запишите ее в столбце 5 табл. 2.1.

8. Запишите результат измерения в виде в столбец 6 табл. 2.1.

Таблица 2.2

Значения t_p(P, m-1) для различной доверительной вероятности Р (двусторонний критерий)

Число степеней свобо­ды f = m-1	Доверительная вероятность Р
	0,50	0,80	0,90	0 , 95	0,98	0,99	0,999
1	1,000	3,078	6,314	12,700	31,821	63,657	630,620
2	0,810	1,886	2,920	4,303	6,965	9,925	31,600
3	0,705	1,638	2,358	3,182	4,541	5,841	12,940
4	0,741	1,533	2,132	2,776	3,747	4,604	8,010
5	0,727	1,476	2,015	2,571	3,365	4,032	0,860
6	0,718	1,440	1,943	2,447	3,143	3,707	5,960
7	0,711	1,415	1,895	2,365	2,998	3,499	5,410
8	0,700	1,397	1,860	2,306	2,896	3,355	5,040
9	0,703	1,383	1,833	2,262	2,821	3,250	4,780
10	0,700	1,372	1,812	2,228	2,764	3,169	4,590
11	0,097	1,363	1,796	2,201	2,718	3,1 06	4,490
12	0,690	1,356	1,782	2,179	2,681	3,055	4,320
13	0,694	1,350	1,771	2,160	2,050	3,012	4,220
14	0,693	1,345	1,701	2,145	2,624	2,977	4,140
15	0,691	1,341	1,753	2,131	2,602	2,947	4,070
10	0,690	1,337	1,746	2,120	2,583	2,921	4,020
17	0,689	1,333	1,740	2,110	2,567	2,898	3,960
18	0,688	1,330	1,734	2,101	2,552	2,878	3,920
19	0,688	1,328	1,729	2,093	2,539	2,861	3,880
20	0,687	1,325	1,725	2,086	2,528	2,845	3,850
21	0,686	1,323	1,721	2,080	2,518	2,831	3,820
22	0,686	1,321	1,717	2,074	2,508	2,819	3,790
23	0,685	1,319	1,714	2,009	2,500	2.807	3,770
24	0,685	1,318	1,711	2,064	2,492	2,797	3,740
25	0,684	1,316	1,708	2,060	2,485	2,787	2,720
26	0,684	1,315	1,706	2,056	2,479	2,779	3,710
27	0,684	1,314	1,703	2,052	2,473	2,771	3,690
28	0,683	1,313	1,701	2,048	2,467	2,763	3,670
29	0,683	1,311	1,699	2,045	2,462	2,756	3,660
30	0,683	1,310	1,697	2,042	2,457	2,750	3,650
40	0,681	1,303	1,684	2,020	2,420	2,700	3,550
60	0,679	1,296	1,671	2,000	2,390	2,060	3,460
120	0,676	1,289	1,658	1,980	2,358	2,617	3,370
	0,674	1,282	1,615	1,960	2,326	2,576	3,290

Измерение скорости счета прибора при отсутствии экрана.

9. Установите контейнер с источником на площадку штатива под счетчиком СБТ – 10.

10. Снимите крышку контейнера.

11. Установить экспозицию 10 секунд – индикатор ЭКСПОЗИЦИЯ.

12. Нажать индикатор ПУСК.

13. После остановки счета запишите показания количества импульсов N_i в столбец 2 табл. 7.3.2.

14. Для повышения точности окончательного результата повторить указанные измерения по пунктам 12, 13 ещё 2 раза и занести значения N_i в столбец 2 табл. 7.3.2. При этом взаимное расположение источника излучения и датчика должно быть неизменным.

15. Закройте крышку контейнера.

16. Вычислите значения , и . Данные запишите в табл. 7.3.2.

ВНИМАНИЕ. При проведении этих и последующих измерений не следует передвигать контейнер с источником и блок газоразрядных счетчиков, так как это может стать источником значительных систематических ошибок при измерении.

Измерение скорости счета n_х. при наличии бетонных экранов.

17. Снимите крышку контейнера.

18. Положите на контейнер бетонную пластинку и запишите в табл. 2.3 её толщину, плотность и тип бетона (эти данные указаны на каждой пластинке).

19. Установить экспозицию 10 секунд – индикатор ЭКСПОЗИЦИЯ.

20. Нажать индикатор ПУСК.

21. После остановки счета через τ = 10 с снимите показания индикатора Ν_хі ^/, определите скорость счета n_xί^/ и запишите их в столбцы 4 и 5 табл. 2.3.

22. Повторите указанные измерения и вычисления по п.п.20 и 21 еще два раза.

23. Проведите измерения и вычисления по п.п.20 и 21 для двух пластинок.

24. Проведите измерения и вычисления по п.п.20 и 21 для трех пластинок.

25. Все указанные измерения и вычисления по п.п. 20 - 24 проведите еще для двух других бетонов и результаты запишите в табл. 2.3.

26. Закройте крышку контейнера и выключите аппаратуру.

Обработка и представление результатов измерений

27. Для каждой толщины экрана вычислите среднее значение и запишите их в столбец 6 табл. 2.3.

28. По данным и (см. табл. 1) вычислите значения , и запишите их в столбцы 7 и 8 табл. 2.3.

29. Для каждого из видов бетонов вычислите , , запишите их в столбцы 9 и 10 табл. 2.3.

30. Постройте зависимости от х (х = 1, 2 и 3 см.) для всех бетонов.

31. Определите значения коэффициентов μ для каждого бетонов по формуле, приведенной в столбце 11 табл. 2.3, полученной по методу наименьших квадратов.

32. По данным х , и μ для каждого бетона определите границы погрешности по методу наименьших квадратов, пользуясь данными таблицы. 5.1 раздела 5, и запишите результаты в табл. 2.4.

33. Полученные результаты представьте в виде

34. Вычислите для каждого бетона значение

35. Сравните полученные значения μ_m для различных бетонов с учетом Δ μ и сделайте выводы.

Таблица П.2.1

Время измерения ,с	Число импульсов Nф,
1	2	3	4	5	6
2	N1 =
	N2 =
	N3 =
	N4 =
	N5 =

Таблица П.2.2

Время измерения, τ. с	Число импульсов, Ni
1	2	3	4	5	6
10	N01=9837
10	N02=9808
10	N3=9789

Таблица П.2.3.

Вид бетона и его плотность	Кол-во пластин	Толщина экрана x, см	имп	имп/с
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Шамотный ρ = 2.1т/м3	1	1см	4554
			4643
			4707
	2	2см	4071
			4044
			3920
	3	3см	3660
			3638
			3603
Гематитовый ρ = 2.9т/м3	1	1см	4330
			4400
			4532
	2	2см	3830
			3768
			3783
	3	3см	3080
			3179
			3075
магнезитовый ρ = 4.1т/м3	1	1см	3988
			4233
			4116
	2	2см	3148
			3241
			3159
	3	3см	2432
			2422
			2606

Таблица

Вид бетона и его плотность	Толщина экрана х, см		0,432 μ х			d 2		S = 0.5
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
(например) обычный, ρ = ….
(например) шамотный, ρ = ….
(например) на граните, ρ = ….

Таблица 5.1.

Зависимость значения u от величины доверительной вероятности Р

Р	0,95	0,96	0,97	0,98	0,99	0,995	0,999	10-6	10-7
u	1,96	2,054	2,17	2,325	2,576	2,612	3,291	4,417	5,327

Контрольные вопросы.

1. От каких факторов зависят величины линейного и массового коэффициентов ослабления гамма-излучения?

2. Какой из исследуемых типов бетонов имеет лучшие защитные свойства?

3. Оцените, пользуясь данными эксперимента, значения коэффициента μ для следующих материалов:

- алюминий (ρ = 2700 кг/м³);

- сталь (ρ = 7800 кг/м³);

- грунт (ρ = 1600 кг/м³).

4. Сделайте краткие выводы о защитных свойствах материалов.