Методические указания

№408(А) – Защита от γ – излучения

Категория:

Методические указания

Дисциплина:

Защита населения

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Стоимость работы:

бесплатный

Оценка: 10
Объем страниц: 12
Год сдачи: 2020
Дата публикации: 20.10.2020

Фрагменты для ознакомления

Лабораторная работа №408(А)

Защита от γ – излучения

Цель работы:

1. изучить основные механизмы взаимодействия γ– излучения с веществом;

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

3. ознакомиться с основными методами защиты от фотонного излучения;

4. 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. ется заглядывать в это отверстие!!! 

Контрольные вопросы:

1. Природа

2. Свойства γ  - излучения.

3. Механизм испускания

4. Механизмы взаимодействия

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, v- 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:

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.

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

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 x=x½, находим связь между μ и x½:

                                          (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 = μф + μк + μп                                               (3)

где  μф ,  μк ,  μп - 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).  

Вырванные 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 Еγстановится 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 (Еγ>2mec2 =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 2mec2.  Для образования пары в поле электрона Еγ>4mec2  . 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 μi 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 γфотоны поглощаются, а при эффекте Комптона γфотоны 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 хμ – линейный коэффициент ослабления материала экрана.

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

2. Экспериментальная установка

Рис. 5. Схема лабораторной установки.

На столике 1 установлена стойка с линейкой 2. На стойке с помощью кронштейна 3 закреплен детектор излучения 4. Источник y-излучения устанавливается на столике 1 напротив детектора излучения 4. Исследуемое вещество в виде пластин 5 помещается между детектором 4 и источником излучения 6. Источник y-излучения заключен в свинцовый контейнер, формирующий параллельный пучок y-излучения, который проходит через исследуемое вещество и далее регистрируется детектором. Детектор включает в себя сцинтилляционный кристалл (С), фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и усилитель (У). Импульсы с выхода детектора регистрируются счетчиком импульсов 7.

3. Порядок выполнения работы

3.1.Подготовка приборов к работе

  1. Подготовьте источник высокого напряжения ТВ-2 к работе. Для этого рукоятку переключения диапазонов поставьте в положение 150 - 1500 В. Ручки «Фино» и «Грубо» поставьте в крайнее левое положение.
  2. Подготовьте универсальный источник питания УИП к работе. Для этого ручку «Плавно» поставьте в крайнее левое положение. Тумблер установки напряжения поставьте в положение 0 - 15 В. Тумблер «Ток нагрузки» и «Выход напряжения» - в положение «Вых. напряж.».
  3. Подготовьте к работе счетчик импульсов. Для этого тумблеры на управляющей панели счетчика поставьте в положения, отмеченные красными точками. Установите время счета 100 с, «Род работы» в положение «Авт.»
  4. Включите приборы в сеть. Сначала вставьте вилки в розетки, затем тумблеры включения поставьте в положение «Вкл».
  5. Установите на источнике высокого напряжения ТВ-2 ручками «Грубо», а затем «Фино» напряжение 1500 В. На УИП ручкой «Плавно» - напряжение 12 В.
  6. Прогрейте приборы в течение 15 минут

3.2. Исследование ослабления интенсивности y-излучения различными веществами

  1. Установите детектор излучения на расстоянии 12 см от столика.
  2. Определите уровень занесите в табл.  1. Не спешите! Первый отсчет не записывайте (счет импульсов мог начаться до Ваших манипуляций с источником). Повторите измерения 7 раз, вычислите среднее значение 
  3. Установите источник N0 в отсутствии поглотителя, данные занесите в таблицу. Повторите измерения 7 раз. Вычислите среднее значение N0.
  4. Исследуйте ослабление 

Таблица 1.

 

п/п

 

 

 

N0

Исследуемый материал

Свинец,  Pb

Медь, Cu

Толщина образца в мм

Толщина образца в мм

x=0

Х1=

Х2=

Х3=

Х4=

Х1=

Х2=

Х3=

Х4=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nср

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nср-Nф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Порядок выключения приборов.

  1. Сначала снимите высокое напряжение с ФЭУ. Для этого на источнике высокого напряжения ТВ-2 ручки «Фино» и «Грубо» поставьте в крайнее левое положение.
  2. На универсальном источнике питания УИП ручку «Плавно» поставьте в крайнее левое положение.
  3. Затем выключите сетевые тумблеры и кнопки источника высокого напряжения ТВ-2, универсального источника питания УИП и счетчика импульсов.

3.4. Обработка результатов измерений

  1. Постройте графики зависимости числа импульсов х для двух материалов на одной координатной сетке.
  2. По кривым определите толщину слоя половинного ослабления 
  3. Рассчитайте по формуле (2) линейные коэффициенты ослабления 
  4. По известным значениям 
  5. Определите среднее значение энергии 

Таблица 2. Линейный коэффициент ослабления  μ (см) для свинца, меди и железа в зависимости от энергии фотонов.

4. Задача. Рассчитайте толщину экрана из свинца, необходимую для защиты от источника γ - излучения, находящегося на расстоянии 3 м от персонала, чтобы эквивалентная доза облучения не превышала предела дозы (ПД), равного 20 мЗв (милиЗиверт) в год  при продолжительности работы 1700 часов в год. Активность источника А= 2ּ109 Бк (Беккерель). Используйте значение μ, полученное в работе.  Эквивалентную дозу облучения персонала рассчитайте по формуле: 

где k - средний коэффициент качества излучения, для γ – излучения 

 (Зиверт/Грей);  f – коэффициент перехода от экспозиционной дозы к поглощенной, для человека 

Γ – гамма-постоянная 

A – активность источника, t –время;  r – расстояние от источника до места работы персонала.

Литература.

  1. Кужир П.Г., Сатиков И.А., Трофименко Е.Е. Радиационная безопасность, Минск, 1999 г.
  2. Гусев Н.Г. , Климанов В.А. и др. Защита от ионизирующих излучений, т.1 , М., Энергоатомиздат, 1989 г.
  3. Радиационная безопасность. Нормы радиационной безопасности (НРБ-2000). Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСП-2002), Минск, 2003 г.
356