Методические указания
№408(Б) – Изучение зависимости мощности экспозиционной дозы точечного источника от расстояния
Категория: | Методические указания |
Дисциплина: | Защита населения |
Город: | Беларусь, Минск |
Учебное заведение: | БНТУ, ФИТР |
Стоимость работы: | бесплатный |
Оценка: | 10 |
Объем страниц: | 9 |
Год сдачи: | 2020 |
Дата публикации: | 27.10.2020 |
Фрагменты для ознакомления
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №408(Б)
Изучение зависимости мощности экспозиционной дозы точечного источника от расстояния
Цель работы:
исследовать ослабление потока γ – фотонов в воздухе;
проверить выполнение «закона обратных квадратов»;
научиться оценивать эквивалентную дозу при работе с γ – радиоактивными источниками;
решить задачи.
Указания по технике безопасности.
- Включение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя или инженера лаборатории.
- В лабораторной работе используется радиоактивный источник, помещенный в свинцовый контейнер. ется заглядывать в это отверстие!!!
Контрольные вопросы
1. Природа γ-излучения. Свойства γ-излучения.
2. Экспозиционная доза, единицы измерения. Для какого вида ионизирующего излучения вводится понятие экспозиционной дозы?
3. Поглощенная доза, единицы измерения.
4. Связь между экспозиционной дозой и поглощенной дозой в воздухе и в биологической ткани.
5. Гамма-постоянная радионуклида.
6. Закон обратных квадратов.
7. Сцинтилляционный метод регистрации ионизирующего излучения.
8. Защита от γ-излучения.
9. Механизм потерь энергии α, β-частиц и фотонного излучения в биологической ткани.
1. Краткие теоретические сведения.
γ – излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны менее 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 →∞).
Количественной мерой воздействия любого вида излучения на облучаемый объект является доза. Различают экспозиционную Х, поглощенную D, эквивалентную Н и другие дозы, отражающие особенности влияния излучения на вещество.
Экспозиционная доза Х характеризует ионизирующее действие фотонного излучения (γ- и рентгеновского излучения) на сухой атмосферный воздух. Экспозиционная доза равна отношению суммарного заряда dq ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, образованных фотонным излучением в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме:

(1)
Единицы измерения экспозиционной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[ Х ] = Кл/кг [ Х ] = Р
(Кулон/килограмм) (Рентген)
1 Кл/кг = 3876 Р
1 Р = 2,58·10-4 Кл/кг
Единица измерения экспозиционной дозы названа в честь Вильгельма Конрада Рентгена (1845-1923) – немецкого физика, который открыл излучение, названное его именем.
Мощность экспозиционной дозы X - отношение приращения экспозиционной дозы dX за малый промежуток времени dt к его длительности

. (2)
Единицы измерения мощности экспозиционной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[X] = А/кг [X] = Р/час
(Ампер/килограмм) (Рентген/час)
Мощность экспозиционной дозы, создаваемой γ-излучением точечного изотропного радионуклидного источника активностью А в точке детектирования, находящегося на расстоянии r от источника, вычисляется по формуле:

(3)
где Г – гамма-постоянная данного радионуклида. Как видно из формулы (2) гамма-постоянная радионуклида представляет собой мощность экспозиционной дозы (Р/ч), создаваемую гамма-излучением точечного изотропного источника активностью 1мКи на расстоянии 1см. Обычно гамма-постоянную выражают во внесистемных единицах:

Значения гамма-постоянных радионуклидов приводятся в специальных справочниках.
Из формулы (3) следует, что отношение мощностей экспозиционной дозы X1 и X2, измеренных в любых двух точках, удалённых на расстояния r1 и r2 от источников, обратно пропорциональны квадрату расстояний:

(4)
Соотношение (4) называют иногда «законом обратных квадратов». Понятие точечного источника достаточно условно, поэтому «закон обратных квадратов» выполняется только в тех случаях, когда расстояние r от источника до детектора достаточно велико и размерами источника можно пренебречь.
Повреждения, вызванные ионизирующим излучением в живом организме, зависят от энергии, переданной биологическим тканям. Количественной характеристикой этого воздействия является поглощенная доза.
Поглощенная доза D – основная дозиметрическая величина, равная отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

(5)
Единицы измерения поглощенной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[D] = Гр [D] = рад
( Грей ) ( рад )
1 Гр = 100 рад
Единица измерения поглощенной дозы получила название в честь английского физика Луиса Гарольда Грея, внесшего большой вклад в развитие дозиметрии. Один Грей равен поглощенной дозе излучения, при которой веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж. При облучении вещества поглощенная доза нарастает. Скорость нарастания поглощенной дозы характеризуется мощностью поглощенной дозы.
Мощность поглощенной дозы D - отношение приращения поглощенной дозы dD за малый промежуток времени dt к его длительности

(6)
Единицы измерения мощности поглощенной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[D] = Гр/с [D] = рад/час
( Грей/секунду) (рад/час)
Предполагая, что мощность поглощенной дозы остается постоянной в течение некоторого времени, легко рассчитать поглощенную дозу за это время:

(7)
При прохождении через вещество заряженные частицы теряют свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение встречающихся на их пути атомов. Процессы потери энергии заряженной частицей и поглощения энергии веществом происходят практически одновременно в одном и том же элементарном объеме вблизи трека частицы. В биологической ткани длина трека (пробег) α-частиц, испускаемых естественными радионуклидами, не превышает 0,1 мм. Поэтому максимум поглощенной дозы находится вблизи передней поверхности облучаемой α-частицами биологической ткани. Поглощенная доза быстро убывает по мере проникновения α-частицы вглубь объекта. Поскольку максимальный пробег β-частиц в биологической ткани составляет несколько сантиметров, то максимум поглощенной дозы находится несколько глубже, но все равно близко к поверхности облучаемого объекта и убыль поглощенной дозы происходит медленнее, чем для α-частиц.
Фотонное излучение, проникая на значительные расстояния вглубь облучаемого объекта, вызывает ионизацию и возбуждение атомов вещества косвенным путем за счет электронов, образованных в результате фотоэффекта, эффекта Комптона и эффекта образования электронно-позитронных пар. Именно эти электроны, ионизируя и возбуждая атомы среды, формируют поглощенную дозу при облучении фотонным излучением. По мере проникновения вглубь облучаемого объекта поглощенная доза сначала возрастает, достигая максимума, а затем начинает уменьшаться.
При облучении живого объекта фотонным излучением, испускаемым радионуклидами, максимум поглощенной дозы наблюдается в поверхностном слое (в пределах двух сантиметров), а последующий спад поглощенной дозы более медленный, чем при облучении α- и β-частицами. Возрастание поглощенной дозы по мере проникновения в глубину биологической ткани объясняется добавлением электронов, образовавшихся у поверхности облучаемого объекта, и ее спад вызван уменьшением интенсивности фотонного излучения.
Для целей радиационной безопасности обычно используют максимальные значения доз в теле человека.
Поглощенную дозу в биологической ткани экспериментально определить очень сложно, но оценить ее можно, использовав связь между поглощенной и экспозиционной дозой:

(8)
где f - коэффициент перехода от экспозиционной к поглощенной дозе:
в воздухе биологической ткани
f = 0,873 рад/Р f = 0,96 рад/Р
f = 33,85 Гр/Кл/кг f = 36,9 Гр/Кл/кг
Для сравнения биологических эффектов, вызываемых различными видами ионизирующих излучений, введено понятие эквивалентной дозы.
Эквивалентная доза Н равна произведению поглощенной дозы D в органе или ткани на взвешивающий коэффициент WR , зависящий от вида излучения:

(9)
Единицы измерения эквивалентной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[Н ] = Зв [Н ] = бэр
( Зиверт ) (биологический эквивалент рада)
1Зв = 100 бэр
Единица измерения эквивалентной дозы названа по имени шведского ученого Рольфа Зиверта – одного из основателей МКРЗ (Международного комитета по радиологической защите).
Мощность эквивалентной дозы H - отношение приращения эквивалентной дозы dH за малый промежуток времени dt к его длительности:

(10)
Единицы измерения мощности эквивалентной дозы:
СИ Внесистемные единицы
[H] =Зв/с [H] =бэр/час
Предполагая, что мощность эквивалентной дозы остается постоянной в течение некоторого времени, легко рассчитать эквивалентную дозу за это время:

(11)
Таблица 1. Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения.

Таким образом, при одной и той же поглощенной дозе неблагоприятные биологические последствия оказываются разными для различных видов излучения.
Используя формулы (3), (7), (8) и (9) получим формулу для определения эквивалентной дозы:

(12)
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.
В настоящей лабораторной работе будет обсуждаться метод защиты расстоянием и с этой целью проводится проверка «закона обратных квадратов». В экспериментальной установке используется сцинтилляционный детектор, работающий в режиме счетчика фотонов. γ – излучение источника, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора, создаёт в нем вспышки света. Каждая вспышка вызывает один импульс тока в одной цепи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Очевидно, что число импульсов N в единицу времени, регистрируемое на выходе ФЭУ, пропорционально мощности экспозиционной дозы X. Поэтому если на расстоянии r1 от источника детектор зарегистрирует N1 импульсов в единицу времени, а на расстоянии r2 – N2, то согласно соотношению (4) будет иметь место равенство:

(13)
Следовательно, произведение числа импульсов на квадрат расстояния должно оставаться постоянным

(14)
2. Экспериментальная установка

Рис. 1. Схема лабораторной установки.
На столике 1 установлена стойка с линейкой 2. На стойке 2 с помощью кронштейна 3 закреплен детектор излучения 4. Источник y-излучения 6 устанавливается на столике 1 напротив детектора излучения 4. Источник y-излучения заключен в свинцовый контейнер, формирующий параллельный пучок y-излучения. Детектор 4 включает в себя сцинтилляционный кристалл (С), фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и усилитель (У). Импульсы с входа детектора регистрируются прибором в цифровом виде. Показания счетчика импульсов 7 пропорциональны числу y-квантов, регистрируемых детектором.
3. Порядок выполнения работы
3.1.Подготовка приборов к работе
- 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.
- 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.».
- 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.»
- Включите приборы в сеть. Сначала вставьте вилки в розетки, затем тумблеры включения поставьте в положение «Вкл».
- Установите на источнике высокого напряжения ТВ-2 ручками «Грубо», а затем «Фино» напряжение 1500 В. На УИП ручкой «Плавно» - напряжение 12 В.
- Прогрейте приборы в течение 15 минут.
3.2. Проведение измерений.
- Установите детектор излучения на расстоянии 12 см от столика. Определите уровень Nф занесите в табл. 1. Не спешите! Первый отсчет не записывайте (счет импульсов мог начаться до Ваших манипуляций с источником). Повторите измерения 5 раз, вычислите среднее значение
- Установите источник так, чтобы он находился строго под детектором. Опустите детектор до соприкосновения с источником и проведите измерения числа частиц
- Удаляя детектор от источника, через каждые 20 мм, проводите измерения числа частиц i = 1, 2, 3, 4, 5), регистрируемых детектором в каждом из положений. Рассчитайте иx средние значения
Таблица I

3.3. Обработка результатов измерений
- Постройте график зависимости числа импульсов r между источником и детектором.
- Выберите на графике 4 точки. Убедитесь в выполнении закона N∙r2. Найдите (N∙r2)сри оцените абсолютную и относительную погрешности (см. лаб.раб 406).
- Решите задачу. Оцените эквивалентную дозу, полученную Вами при выполнении данной работы, используя формулу (4). Активность используемого источника A= Бк, гамма-постоянная ּсм2/(чּмКu). Принять, что источник находился от Вашего тела на расстоянии r = 0,5 м. Время работы с источником t = 1.5ч. Сравните рассчитанную эквивалентную дозу с пределом дозы (см. лаб. раб 406).
- Решите задачу. Телевизор с кинескопом - электронно-лучевой трубкой испускает тормозное рентгеновское излучение. Мощность эквивалентной дозы на расстоянии 2,5 м от телевизора равна 2,5ּ10-3мкЗв/час. Определить годовую эквивалентную дозу для зрителя при ежедневном трехчасовом просмотре телепередач на расстоянии от телевизора 2,5 м и 0,5 м.