№408(Б) – Изучение зависимости мощности экспозиционной дозы точечного источника от расстояния

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. 

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 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:

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   (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

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.    Проведение измерений.

1.  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 
2. Установите источник так, чтобы он находился строго под детектором. Опустите детектор до соприкосновения с источником и проведите измерения числа частиц 
3. 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

1. Постройте график зависимости числа импульсов r между источником и детектором. 
2. Выберите на графике 4 точки. Убедитесь в выполнении закона N∙r2. Найдите (N∙r2)сри оцените абсолютную и относительную погрешности (см. лаб.раб 406).
3. 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).
4. 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.