Всі лабораторні роботи / GAMMA1W

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА gamma1 w. doc

Определение коэффициента линейного ослабления гамма-излучения

Цель работы : изучить метод регистрации ионизирующих излучений при помощи радиометра, содержащего газоразрядный счетчик, определить коэффициент линейного ослабления g-излучения для свинца, железа и алюминия.

Вопросы для подготовки к лабораторной работе

1. Радиоактивность. Виды радиоактивного распада и их основные характеристики.

2. Основной закон радиоактивного распада. Активность.

3. Взаимодействие корпускулярного ионизирующего излучения (альфа-, бета-, протонного, нейтронного и т.п.) с веществом.

4. Взаимодействие рентгеновского и гамма-излучений с веществом. Закон ослабления ионизирующего излучения.

5. Характеристики ионизирующего излучения (ионизационная и проникающая способности).

6. Поглощенная и экспозиционная дозы. Биологическая эквивалентная доза. Мощности доз. Дозиметрические единицы измерения.

7. Физические и биофизические основы действия ионизирующих излучений на биологические ткани. Защита от ионизирующего излучения.

8. Детекторы ионизирующего излучения: газоразрядные, сцинтилляционные, полупроводниковые счетчики, ионизационные камеры.

Литература

1. Н.М. Ливенцев. Курс физики, 1974, стр.513-519, 540-547, 564-566, 575-582.

2. Н.М. Ливенцев. Курс физики, 1978, ч.II, стр.47-53, 73-82, 95-98, 104-111.

3. А.Н. Ремизов. Курс физики. 1976. ч.II, стр. 251-255, 261-265, 267- 270.

4. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика. 1987. (Параграфы 28.1 -28.6, 31.1-31.4, 32.1-32.6).

Дополнительные теоретические сведения

Гамма-лучи - коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длинной волны (l < 10^-10 м ) и вследствие этого - с ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. они представляют собой поток g-квантов (фотонов) с энергией hn и импульсом hn/c . Гамма-излучение является одним из видов радиоактивного излучения и, как правило,сопровождает a- и b-распады . На опытах установлено, что g-лучи испускаются не материнским, а дочерними ядрами, которые в момент своего образования возбужденны и имеют избыточную энергию по сравнению с естественным, нормальным энергетическим состоянием невозбужденного ядра. За очень короткое время (10^-13-10^-14 с), дочернее ядро переходит в нормальное или менее возбужденное состояние, испуская при этом g-лучи, имеющие дискретный или линейчатый спектр.

При прохождении через вещество вследствие поглощения и рассеяния интенсивность g-излучения уменьшается. Во время прохождения через вещество g-квант может взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов (молекул) вещества, так и с их ядрами. Физические процессы, обуславливающие уменьшение интенсивности g-лучей при прохождении через вещество есть: образование пар электрон-позитрон, Комптон-эффект, фотоэффект и когерентное рассеяние. Вероятность возникновения того или иного процесса зависит от энергии g-фотонов и физических свойств вещества, поглощающего эти фотоны.

При больших энергиях g-квантов, превышающих удвоенную энергию покоя электрона (hn = mc² = 1.022 МэВ ), преимущественно возникает поглощение лучей, связанное с образованием электронно-позитронных пар.

С уменьшением энергии фотона возрастает вероятность возникновения Комптон-эффекта. В 1925 году А.Комптон исследовал рассеяние рентгеновских лучей на графите и определил, что в рассеянном излучении присутствуют как колебания с частотой падающего излучения n_о , так и колебания с частотой n₁ , меньшей чем n_о. Этот эффект уменьшения частоты рассеянного излучения и получил название эффекта Комптона. При этом эффекте энергия падающего фотона hn_о час-

тично передается свободному электрону , который получает импульс р и энергию W_к. Этот электрон называют электроном отдачи или комптоновским электроном. Из закона сохранения энергии hn_о = hn₁ + W_к следует, что энергия рассеянного фотона hn₁ (и, следовательно, частота излучения ) будет меньше падающего. Этот процесс наиболее вероятен для энергий гамма-излучений, меньших энергии удвоенной массы покоя электрона и больше энергии связи электрона с атомом. Этот процесс также называют и некогерентным рассеянием гамма-излучения, т.к. при нем происходит изменение частоты поглощаемого фотона.

По мере дальнейшего уменьшения энергии гамма-фотонов возрастает вероятность взаимодействия кванта с электронной оболочкой атомов. Возникает фотоэффект, при котором электроны вырываются из внутренних слоев электронной оболочки. Этот процесс называют еще фотоэлектрическим поглощением g-лучей. Коэффициент фотоэлектрического поглощения m_фэ зависит от атомного номера Z вещества и длины волны гамма-излучения

m_фэ ~ Z^m×lⁿ .

(Постоянные m и n, в зависимости от энергии квантов, меняют свои значения в пределах m = 2.9 - 4.4 , n = 3).

При невысоких энергиях фотона для гамма излучения (подобно рентгеновскому) может возникать и когерентное рассеяние, при котором меняется направление распространения излучения при взаимодействии его с веществом, но без изменения его энергии (частоты).

Учитывая все эти процессы, характеризующие взаимодействие гамма-излучения с веществом, можно записать закон ослабления интенсивности J этого излучения или потока частиц N по мере прохождения слоя вещества толщиной L:

J_L = J_o× e^-m×L или N_L = N_o× e^-m×L . (1)

Коэффициент m есть линейный коэффициент ослабления, величина которого обратно пропорциональна такой толщине поглотителя, на которой интенсивность излучения уменьшается в е раз. Его значение можно найти, прологарифмировав выражение (1) :

m = (1/L)×ln(N₀/N_L ) . (2)

Одной из характеристик защитных свойств вещества от ионизирующего излучения является толщина слоя половинного ослабления L_1/2 , на котором интенсивность излучения уменьшается вдвое. Учитывая закон (1), можно найти значение L_1/2 :

, откуда L_1/2 = ln2/m =0.693/m . (3)

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из счетчика (детектора) и пересчетного устройства ПС-100 (рис.1).Счетчик представляет собой цилиндрический сосуд, наполненный газом до 100-200 мм рт.ст. и содержащий два электрода - нитевидный анод и цилиндрический катод. Рабочее напряжение на счетчике порядка нескольких сотен вольт. При попадании в объем счетчика ионизирующей частицы ( электроны b-излучения, вторичные фото-электроны, комптон-электроны или электрон-позитронные пары при g-излучении) в нем возникает самостоятельный разряд с быстрым самогашением. Разряд обрывается включением большого сопротивления R=10⁸-10⁹ Oм, а также введением примесей(пары спирта, галогенов и др.) в состав газовой смеси счетчика. Время гашения порядка 10^-6 с. Время восстановления чувствительности счетчика определяется дрейфом ионов к катоду и составляет порядка 10^-4 с. Следовательно, счетная характеристика или эффективность счетчика, определяемая числом зарегистрированных частиц в единицу времени, достигает десяткa тысяч в секунду.

Рис. 1 Схема лабораторной установки

Электрические импульсы, возникшие в счетчике, усиливаются на усилителе (Ус ) и поступают в пересчетное устройство. На лицевой панели этого устройства находятся индикаторы разрядов, из которых складывается число регистрируемых частиц, и клавиши для установления различных режимов работы (сброс, проверка, пуск, стоп).

Порядок выполнения работы

При выполнении этой работы следует соблюдать осторожность, не допускать касаний к токонесущим частям, т.к. на счетчик подается напряжение порядка 400 В. Источник радиоактивного излучения должен находится в контейнере, и время работы с ним должно быть сведено к минимуму, по этой причине всю подготовительную работу (пункты 1-3 , подготовка таблицы) надо выполнить заранее.

1. Подготовить установку к работе. Закрепите счетчик в штативе, соблюдая полярность подсоединения электродов согласно маркировке. Включите тумблер “сеть” и дайте прогреться прибору несколько минут.

2. Проверить исправность работы установки. Для проверки работы устройства на вход подаются импульсы от сети переменного тока. Нажмите клавишу “сброс” - показания индикаторов “обнулятся”. Нажмите клавишу "50 Гц" или "проверка" и спустя 1 минуту - клавишу “стоп”. При правильной работе - индикаторы счетчика покажут значение 3000.

3. Измерить фон ионизирующего излучения - N_ф. В нормальных условиях этот фон обусловлен космическим излучением, распадом ядер радиоактивных элементов, содержащихся в окружающих нас материалах и т.д. Измерьте не менее 3-5 раз число актов ионизации в объеме счетчика за 1 минуту. Последовательность операций: клавиша “сброс”, одновременно с запуском секундомера - клавиша “пуск”, спустя 1 минуту - клавиша “стоп”. Данные с индикаторов занести в таблицу.

4. Измерить число регистрируемых частиц, излучаемых радиоактивным препаратом N . Капсулу с радиоактивным препаратом поместите под счетчик и проведите измерения аналогично указанным в пункте 3. Измеренное число частиц N’ включает в себя фон ионизирующего излучения N_ф и число частиц, излученных препаратом и попавших в объем счетчика N. Следовательно, величина N определяется как разность N = N’ - N_ф . Измерения провести 3-5 раз , данные занести в таблицу.

5. Измерьте число регистрируемых частиц после поглощения излучения препарата металлами (железом - N’_Fe , алюминием - N’_Al , свинцом -N’_Pb). Не меняя положение капсулы, экранируйте ее от счетчика пластиной из железа и измерьте 3-5 раз число актов ионизации в объеме счетчика N’_Fe . Данные занесите в таблицу. Аналогичные измерения сделайте и для других металлов. Толщина пластин L указана на металле.

Таблица. Результаты измерений и вычислений m и L_1/2

n

Nф

N’

железо

алюминий

свинец

п/п

1/мин

1/мин

N’Fe 1/мин

LFe мм

N’Al 1/мин

LAl мм

N’Pb 1/мин

LPb мм

1 2 3 4 5

- - - - -

- - - - -

- - - - -

среднее

N=

NFe =

NAl =

NPb =

mFe = . . . 1/мм

mAl =. . . 1/мм

mPb =. . . 1/мм

L1/2 = . . . . мм

L1/2 = . . . мм

L1/2 = . . . . мм

6. Найдите средние значения N_ф , N’ , N’_Fe , N’_Al , N’_Pb .

7. По найденным средним значениям определите величины

N = N’ - N_ф , N_Fe = N’_Fe - N_ф , N_Al = N’_Al - N_ф , N_Pb = N’_Pb - N_ф .

8. Определите коэффициент ослабления m и толщину слоя половинного ослабления L_1/2 для указанных металлов, учитывая выражения (2) и (3):

m_Fe = (1/L_Fe)× ln(N/N_Fe) , L^Fe_1/2 = 0.693/m_Fe

m_Al = (1/L_Al)× ln(N/N_Al) , L^Al_1/2 = 0.693/m_Al

m_Pb = (1/L_Pb)× ln(N/N_Pb) , L^Pb_1/2 = 0.693/m_Pb .

Полученные данные занесите в таблицу.

9. Сравнить полученные результаты для разных металлов и сделать выводы.

Оформление работы. В отчете должно быть: а) краткие теоретические сведения о природе гамма-излучения и механизмах его поглощения, б) схема установки, в) таблица с результатами измерений и вычислений, г) выводы.