Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Техническая физика»

Защита от γ-излучения

Методические указания к лабораторной работе № 408

Минск 2010

Лабораторная работа №408(А)

Защита от γ – излучения

Цель работы:

• изучить основные механизмы взаимодействия γ– излучения с веществом;

• исследовать ослабление потока γ –фотонов различными материалами, определить энергию γ –фотонов;

• ознакомиться с основными методами защиты от фотонного излучения;

• решить задачу.

Указания по технике безопасности.

1. Включение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя или инженера лаборатории.

2. В лабораторной работе используется радиоактивный источник, помещенный в свинцовый контейнер. -излучение выходит только из маленького отверстия в основании контейнера. Запрещается заглядывать в это отверстие!!!

Контрольные вопросы:

1. Природа -излучения.

2. Свойства γ - излучения.

3. Механизм испускания -излучения.

4. Механизмы взаимодействия -излучения с веществом: фотоэффект, эффект Комптона, образование электронно-позитронных пар.

5. Существует ли понятие свободного пробега для γ –фотонов?

6. Закона ослабления плотности потока γ –фотонов в веществе.

7. Что такое толщина слоя половинного ослабления? Выведите формулу.

8. Какая существует связь между толщиной слоя половинного ослабления и линейным коэффициентом ослабления?

9. Методы защиты от фотонного излучения.

1. Краткие теоретические сведения.

γ – излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны менее, чем 10^-10 м. Источником γ – излучения являются возбужденные атомные ядра. Они образуются в различных ядерных реакциях, в том числе при радиоактивном распаде. В качестве примера можно привести электронный β-распад Cs-137, сопровождаемый испусканием γ – излучения.

,

где «*» означает, что дочернее ядро образовалось в возбужденном состоянии, т.е. с избытком энергии, - электронное антинейтрино.

Возбужденное состояние ядра неустойчиво, и через маленький промежуток времени ядро переходит в состояние с меньшей энергией, испуская коротковолновое электромагнитное излучение - γ –излучение.

Этот процесс происходит без изменения массового и зарядового чисел (A и Z), поэтому испускание γ-излучения не рассматривают как отдельный тип радиоактивности. Процесс испускания γ-излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами.

Свойства γ -излучения:

1. γ – излучение имеет линейчатый спектр, причем каждый элемент дает свой строго определенный γ – спектр. Именно поэтому по спектру γ – излучения с помощью γ-спектрометров определяется какой именно радионуклид распадается.

2. γ – излучение обладает огромной проникающей способностью, для него не существует понятия длины свободного пробега. Длина свободного пробега γ – квантов в воздухе стремится к бесконечности (R_γ →∞).

При прохождении через вещество γ–излучение ослабляется по экспоненциальному закону:

I=I₀e^-μx (1)

N=N₀e^-μх,

где I и N соответственно интенсивность (плотность потока энергии) и плотность потока фотонов после прохождения вещества толщиной x в направлении от источника к детектору; I₀ и N₀ – те же величины перед веществом; μ - линейный коэффициент ослабления вещества защиты, измеряемый обычно в см^-1.

Линейный коэффициент ослабления зависит от природы вещества и энергии γ –фотона. Значения коэффициентов μ обычно приводится в литературе в виде графиков или таблиц (табл. 2).

Эффективность вещества в качестве защиты от γ –излучения ,как правило, характеризуется толщиной слоя половинного ослабления. Слоем половинного ослабления называется такая толщина слоя вещества, при прохождении которой интенсивность γ –излучения уменьшается в 2 раза.

Используя выражение (1) и полагая, что I=I₀/2 при , находим связь между μ и :

(2)

Ослабление γ – излучения в области энергий от 0.01 до 10 МэВ (это область энергий наиболее часто применяемых источников) обусловлено тремя процессами: фотоэффектом, эффектом Комптона и рождением электронно-позитронных пар в поле ядра. Каждому из этих процессов соответствует свой линейный коэффициент ослабления, а полный коэффициент ослабления равен:

μ = μ_ф + μ_к + μ_п (3)

где μ_ф , μ_к , μ_п - линейные коэффициенты ослабления, обусловленные фотоэффектом, эффектом Комптона и образованием электронно-позитронных пар.

Помимо этих процессов γ – фотоны высоких энергий могут вызывать ряд других явлений: ядерный фотоэффект, деление ядер и другие.

Фотоэффект – процесс поглощения γ – фотона (или фотона другого вида электромагнитного излучения) атомом, при котором атомный электрон покидает пределы атома, т.е. происходит ионизация атома (рис. 1).

В

ырванные электроны называются фотоэлектронами. Атом превращается в положительно заряженный ион. Наиболее интенсивно фотоэффект наблюдается для фотонов, энергии которых близки к энергиям связи электронов с ядром. Все электроны в атоме расположены в различных оболочках – K, L, M, N и т.д., каждой из которых соответствует определенная энергия связи. Наибольшую энергию связи в атоме имеют электроны самой внутренней К-оболочки. Для γ –излучения вклад К-оболочки в явление фотоэффекта является преобладающим (примерно 80%).

В результате фотоэффекта образуются ионы в возбужденном состоянии. Переход этих ионов в основное состояние приводит к испусканию характеристических рентгеновских фотонов.

Фотоэффект наблюдается для γ–фотонов с энергиями от 10 эВ до 1МэВ. С увеличением энергии γ–фотонов, когда Е_γ становится значительно больше энергии связи электронов в атоме, основным механизмом ослабления интенсивности γ–излучения становится эффект Комптона.

Эффект Комптона – рассеяние γ–фотонов электронами вещества. Проходя через вещество, γ–фотоны могут столкнуться со свободными или слабо связанными электронами, т.е. с электронами, находящимися на внешних оболочках атома, - валентными электронами. Фотон в результате упругого соударения с электроном передает последнему часть своей энергии, энергия γ–фотона уменьшается (следовательно уменьшается частота γ–излучения). При этом γ–фотон отклоняется от своего первоначального направления распространения, т.е. происходит рассеяние γ–фотонов.

В отличие от фотоэффекта при эффекте Комптона γ–фотоны не поглощаются веществом, а лишь изменяют свою энергию и направление распространения.

Образование электронно-позитронных пар. При дальнейшем увеличении энергии γ–фотонов, когда она начинает превосходить суммарную энергию покоя электрона и позитрона (Е_γ>2m_ec² =1,02 МэВ) становится возможным процесс превращения γ–фотона в электрическом поле ядра в две частицы: электрон и позитрон. При этом γ–фотон исчезает.

Схема образования электронно-позитронной пары в электрическом поле ядра X имеет вид:

Образование электронно-позитронных пар может происходить только при участии «третьего тела-частицы». Это вытекает из законов сохранения импульса и энергии. Такой частицей может быть атомное ядро, электрон или фотон. Для образования электронно-позитронной пары в поле атомного ядра энергия γ–фотона должна быть больше 2m_ec^2. Для образования пары в поле электрона Е_γ>4m_ec² . Рождение пары в присутствии фотона требует еще больших энергий. Поэтому образование электронно-позитронной пары в поле атомного ядра является наиболее вероятным процессом.

Таким образом при малых энергиях γ-излучения определяющую роль играет фотоэффект, затем с увеличением энергии – эффект Комптона, затем образование электронно-позитронных пар в поле атомного ядра, что иллюстрируется рисунком 4.

Рис.4.Зависимость коэффициентов линейного ослабления μ_i от энергии γ-фотонов для свинца: 1 – вклад фотоэффекта; 2 – вклад Комптон-эффекта; 3 – вклад образования электронно-позитронных пар; 4 – суммарное ослабление

При фотоэффекте и образовании электронно-позитронных пар γ–фотоны поглощаются, а при эффекте Комптона γ–фотоны рассеиваются и энергия их уменьшается.

Защита от фотонного излучения (γ- и рентгеновского излучения). Различают следующие основные методы защиты от воздействия фотонного излучения:

• уменьшение продолжительности работы на территориях, где имеются источники фотонного излучения,

• увеличение расстояния от персонала до источника,

• уменьшение до минимально возможной активности используемого источника,

• сооружение защитных экранов из поглощающих материалов между источником и местом размещения персонала.

Для краткости эти возможные методы защиты называют защита временем, расстоянием, количеством и экранировкой.

Расчет защиты от фотонного излучения представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Необходимо учитывать много различных факторов: активность, геометрическую форму и размеры источника излучения, спектральный состав излучения, геометрическую форму и размеры защитных сооружений, свойства материалов и т.д. Все это является предметом радиационной защиты.

Сущность метода защиты экранировкой рассмотрим на примере прохождения узкого пучка фотонов через слой вещества толщиной x . Из-за поглощения и рассеяния фотонов веществом интенсивность излучения убывает по экспоненте (см. формулу 1). Поскольку доза облучения прямо пропорциональна интенсивности, то ослабление дозы подчиняется тому же закону:

,

где Н₀ – эквивалентная доза без защитного экрана, Н – эквивалентная доза излучения, прошедшего защитный экран толщиной х, μ – линейный коэффициент ослабления материала экрана.

На практике при рассмотрении прохождения фотонного излучения через защитный экран создается широкий пучок излучения, что значительно усложняет расчеты.