Лабораторная работа № 13

____________________________________________________________________________________________

Определение поглощения ионизирующего излучения веществом

1. Цель работы.

Изучение свойств ионизирующих излучений. Исследование зависимости изменения интенсивности излучения с ростом толщины поглотителя. Определение коэффициентов ослабления излучения для различных веществ. Определение величины максимальной энергии излучения.

2. Виды радиоактивных излучений.

Радиоактивное излучение бывает трех типов: α-, β- и γ-излучение. Первое – α-излучение представляет собой поток ядер гелия, отклоняется магнитными и электрическими полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью.

Второе – β-излучение представляет собой поток быстрых электронов, отклоняется магнитными и электрическими полями, ионизирующая способность значительно меньше (примерно на 2 порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у α-лучей.

Третье – γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – γ-квантов (фотонов). Не отклоняется магнитными и электрическими полями, ионизирующая способность относительно мала, а проникающая способность очень велика (проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию.

3. Методы определения величины максимальной энергии -частицы.

В настоящей задаче проводится исследование поглощения - и -лучей веществом, измерение величины коэффициента ослабления -лучей и определение верхней границы -спектра данного элемента; - и -лучи, испускаемые радиоактивным веществом, обладают различной проникающей и ионизирующей способностью, что определяется различием в механизмах их взаимодействия с веществом. Механизм ослабления -лучей (быстрых электронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов) существенно зависит от их энергии. Исследования распределения -частиц по энергиям по методу отклонения их в магнитном поле показали, что они обладают сплошным спектром, т.е. что они испускаются со всевозможными энергиями, начиная от нулевой и кончая некоторой максимальной для данного радиоактивного элемента энергией W_m, которая представляет собой верхнюю границу -спектра данного элемента. Типичное распределение -частиц по энергиям показано на рис.13.1, где по горизонтальной оси отложена величина энергии электрона W, а по вертикальной число -частиц N, обладающих определённым значением энергии.

К ак показали исследования, такое распределение -электронов имеет место не только в случае естественно-радиоактивных изотопов, но также и у всех искусственно получаемых -радиоактивных изотопов. Значения максимальной энергии -частиц у разных изотопов различны, они лежат в весьма широких пределах от 15 кэВ до 15 МэВ, являясь характерными для каждого изотопа. Ослабление пучка -частиц связано с потерями энергии при прохождении их через вещество. При больших энергиях -частиц основным механизмом потерь их энергии является тормозное излучение (радиационные потери). При малой энергии потери определяются главным образом расходом энергии на ионизацию вещества. При достаточной энергии -частиц в веществе может развиваться каскадный ливень, сопровождающийся образованием пар электрон-позитрон, вторичных фотонов и электронов.

Так как достаточно точных формул, выражающих зависимость пробега  частиц от энергии, нет, для характеристики -спектра пользуются экспериментально полученными данными.

Рассмотрим два метода определения величины максимальной энергии -частицы. Первый метод – метод поглощения их в металле – заключается в том, что при некоторой толщине U_m поглотителя наступает полное поглощение -частиц. Величина d_m, называемая пробегом частицы с максимальной энергией W_m, связана определенным соотношением со значением этой энергии. Для случая поглощения в алюминии при величинах энергии -частиц, превышающих 0,8 МэВ, хорошо оправдывается соотношение Фезера:

, (13.1)

где d_m – толщина поглотителя (измеряемая в см), полностью поглощающего -частицы,  – плотность алюминия в г/см³; W_m – максимальная энергия в МэВ.

Формулой (13.1) приближенно можно пользоваться только для меди. Регистрацию -излучения можно производить счетчиком Гейгера-Мюллера.

Д ля экспериментального определения W_m между источником -излучения и счетчиком Гейгера Мюллера помещают алюминиевые или медные пластинки различной толщины. По мере увеличения толщины слоя алюминия скорость счета частиц n уменьшается и при больших толщинах приближается к скорости счета фона n_ф. Так как фон создается в основном космическими лучами и -лучами, сопровождающими -излучение, поглощение которых в алюминии и меди мало, то их активность в условиях данного опыта остается практически постоянной (т. е. n_ф = const). Связь между скоростью счета частиц n и толщиной слоя поглотителя d_m изображается следующей кривой поглощения -частиц (рис.13.2). По кривой можно определить величину d_m, а затем по формуле (13.1) величину максимальной энергии W_m. Недостатком метода полного поглощения является то, что он не дает возможности с большой точностью определить точку пересечения кривой поглощения с уровнем фона, поскольку число электронов, обладающих максимальной энергией, мало, а фон достаточно велик.

Второй метод определения верхней границы -спектра известен под названием метода половинного поглощения. В этом случае производят измерение толщины слоя половинного поглощения d₂^k, представляющей собой толщину слоя, при прохождении которой интенсивность -излучения уменьшается вдвое. Для этого определяют толщину слоев алюминия, ослабляющего излучения в 2, 2², 2³ ... 2^k раз.

Наиболее точное исследование энергетического спектра -частиц производится путем наблюдения движения их в магнитных полях с помощью специальных и довольно сложных приборов (-спектрометров). Исследование -спектров имеет важное значение для определения характеристик атомных ядер, изучения ядерных процессов и т. д.

4. Экспериментальное определение коэффициента ослабления излучения.

Гамма-лучи представляют собой короткие электромагнитные волны с длиной волны 10^-11 – 10^-13 м, испускаемые возбужденными атомными ядрами Обычно -излучение сопровождает - и -распад ядер. При прохождении через вещество интенсивность -излучения постепенно спадает вследствие поглощения и рассеяния. Важнейшими процессами, приводящими к ослаблению -пучка при прохождении через вещество, являются фотоэффект, эффект Комптона и образование пар позитрон – электрон (W_ > 1,02 MэВ). Вследствие пропорциональности спада интенсивности -пучка толщине пройденного слоя вещества ослабление пучка будет происходить по закону:

(13.2)

где I₀ – интенсивность -излучения до взаимодействия с веществом; I – интенсивность пучка после прохождения слоя вещества толщиной d;  – коэффициент ослабления излучения, зависящий от длины волны -излучения и атомного номера поглощающего вещества.

Коэффициент ослабления можно определить экспериментально, если воспользоваться соотношением (13.2), измерив интенсивность пучка при прохождении слоев вещества различной толщины. Для определения интенсивности -излучения можно воспользоваться счетчиков Гейгера-Мюллера, который регистрирует вторичные электроны, вызванные взаимодействием -лучей с веществом счетчика. При этом число сосчитанных счетчиком импульсов (n) за один и тот же промежуток времени будет пропорционально интенсивности -излучения. Вследствие этого для числа сосчитанных счетчиком импульсов после прохождения -лучом двух слоёв вещества толщиной d₁; d₂ можно написать отношения:

, ,

где n_о – число сосчитанных счетчиком импульсов при прохождении через него ослабленного -пучка. Из этих соотношений легко получить расчетную формулу для определения коэффициента ослабления -лучей:

. (13.3)

Таким образом, определение коэффициента поглощения -лучей практически сводится к счету импульсов в счетчике, соответствующих различным толщинам экранов.

7. Ход работы.

1. Снять значения числа импульсов в зависимости от расстояния между источником и приемником излучения. Поглотителем служит воздух. Расстояние изменяется от 0 до 100 мм с шагом 5 мм.

2. Для каждой пластины измерить ее толщину и определить число импульсов, располагая приемник на расстоянии, соответствующем толщине пластины.

3. Этот пункт делается в том случае, если в ходе выполнения лабораторной работы выдается несколько медных пластин. Определить частоту импульсов и т.д., добавляя последовательно по одной медные пластины.

Результаты измерений занести в таблицу 13.1.

Таблица 13.1

Воздух	Толщина слоя d, мм		0			5	10	15		20	25	30			35	45		50	55	60		65	70	75		80	85
	Частота счета n, кГц
Поглотитель
медь				алюминий									древесина								текстолит
d2, мм		n, кГц			d2, мм				n, кГц					d2, мм			n, кГц				d2, мм				n, кГц

8. Содержание отчета.

1. Построить график для значений, когда поглотителем служит воздух. По оси абсцисс откладывают расстояние от источника радиоактивного излучения до приемника в мм, по оси ординат – частоту счета импульсов в кГц. По графику определить фон n_ф. Определить максимальную толщину воздуха. Сделать вывод о характере изменения интенсивности с ростом толщины поглотителя (подтверждается ли экспоненциальный з изменения интенсивности излучения?).

2. По формуле (13.3) рассчитать коэффициент поглощения для всех исследуемых веществ, полагая, что (м), и для данной толщины взять из таблицы значение числа импульсов (поглотитель – воздух, Гц).

3. Пересчитать, составив пропорцию, коэффициенты поглощения на единицу толщины (например, d_n= 1 см). Построить гистограмму поглощения. Для этого по горизонтали отмеряют равные отрезки, соответствующие одинаковой толщине поглощающего слоя, а по вертикали откладывают коэффициенты поглощения для каждого вещества соответственно.

4. Этот пункт делается в том случае, если преподаватель в ходе выполнения лабораторной работы выдавал несколько медных пластин. Построить график для значений, когда поглотителем служит медь. По полученной кривой определить максимальную толщину слоя поглотителя d_m. Зная величину слоя поглотителя и плотность , определить по формуле (13.1) значение W_m для данного вещества.

.

5. Определить по формуле (13.1) значение W для данной толщины медной и алюминиевой пластин.

.

6. Сделать вывод по работе.