МУ-Я-7 (1003904)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Г.В.Балабина, И.Н.ФетисовРАДИОАКТИВНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ДОЗИМЕТРИЯМетодические указанияк лабораторной работе Я-7 по курсу общей физикиПод редакцией А. И. СавельевойИздательство МГТУ им Н. Э. Баумана,1997Описаны процессы взаимодействия заряженных частиц и фотоноввысокой энергии с веществом, основные характеристики излучений,устройство дозиметра и методика измерения пробега и энергии β-частиц,мощности дозы γ-излучения. Для студентов 2-го курса всех специальностей.ВВЕДЕНИЕИзучение вопросов взаимодействия излучений с веществом и дозиметрии является важным дляинженеров в связи с широким распространением ядерных технологий и источников ионизирующихизлучений, загрязнением окружающей среды радионуклидами.Работа знакомит с радиоактивным распадом, поглощением в веществе заряженных частиц и фотоноввысокой энергии.

Рассмотрены дозовые характеристики ионизирующих излучений и соотношениемежду различными единицами дозы. Приведен вывод формулы для расчета мощности дозыточечного γ-источника известной активности. Рассмотрено устройство сцинтилляционногодозиметра.Цель работы - изучить поглощение β-излучения в веществе, определить пробег β-частиц валюминии и их энергию, измерить мощность дозы γ-источника.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬРадиоактивностьРадиоактивные вещества испускают быстрые заряженные частицы - электроны и позитроны ( βчастицы), ядра гелия (α-частицы), а также фотоны высокой энергии (γ-излучение).

Для различныхрадионуклидов энергия распада изменяется от ~ 10 кэВ до нескольких МэВ. Энергия распада делитсямежду вторичными частицами так, чтобы выполнялся закон сохранения импульса. В результате αраспада образуются две частицы, поэтому α-частицы моноэнергетичны и уносят, вследствиеменьшей массы, почти всю энергию распада (некоторые радионуклиды испускают α-частицынескольких значений энергии). При β-распаде, поскольку вылетает и третья частица - нейтрино,спектр электронов получается сплошным - от нуля до некоторой граничной энергии Еmax.Радиоактивный препарат характеризуют средним числом распадов за единицу времени, этахарактеристика называется активностью и обозначается буквой А.

Единица активности - один распадза секунду - называется б е к к е р е л ь и обозначается Бк. Специальная единица активности – к ю р иравна 1 Ки = 3,7∙1010 Бк. Активность, пропорциональная числу не распавшихся атомов, уменьшаетсясо временем по закону радиоактивного распада:A=A0 exp(-λλt)=A0exp(-0,69t/T),(I)где А0 - начальная активность, λ - постоянная распада; Т - период полураспада, т.е. время, за котороеактивность уменьшается вдвое.Часто радиоактивный распад сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, еслидочернее ядро образуется в возбужденном энергетическом состоянии.

Энергия гамма-квантов равнаразности энергий соответствующих энергетических уровней ядра.Поглощение заряженных частицБыстрые заряженные частицы испытывают в веществе кулоновское взаимодействие с атомнымиэлектронами и ядрами. Особенно часто происходят неупругие взаимодействия с внешнимиэлектронами, при которых энергия частицы затрачивается на ионизацию и возбуждение атомов.Такой процесс называется ионизационным торможением. В каждом акте взаимодействия с атомомзаряженная частица теряет малую часть энергии, составляющую в среднем несколько десятковэлектрон-вольт. В результате, например, α-частица с энергией 5 МэВ ионизирует в общей сложностипримерно 105 атомов.

Пройденное частицей расстояние до остановки является функцией заряда,массы и энергии частицы, а также атомного номера, средней энергии ионизации атомов и ихконцентрации.Если параллельный пучок α-частиц одинаковой энергии летит в веществе вдоль оси X , тозависимость между потоком F (числом частиц, проходящих через данную поверхность в единицувремени) и величиной пройденного пути X изображается кривой I на рис. I.На протяжении значительной части пути интенсивность потока не меняется. Затем, когда скорость αчастицы приближается к нулю, интенсивность резко падает.

α-частицы одинаковой энергии теряютсвою энергию приблизительно на одинаковом пути x0, длина которого зависит от энергии частицы.Для энергии 5 МэВ в воздухе x0≈5 см, а в плотных телах - в тысячи раз меньше. Например, листбумаги полностью задержит α-частицы.Для β-частиц аналогичная зависимость изображена кривой 2 на рис. I. Кривая для β-частиц иная,потому что электроны имеют различные начальные скорости и к тому же электроны, пролетая мимоатомов, не только отдают им часть своей энергии, но часто испытывают значительное рассеяние.

Ужепри небольших х часть электронов выбывает из пучка; это в основном те электроны, которые имелималую начальную скорость. Поэтому вблизи х=0 поведение кривой похоже на поведениепоказательной функции. Однако дальше кривая достигает оси абсцисс, интенсивность становитсяравной нулю при определенной величине хQ, зависящей от граничной энергии Еmах β-спектра. Пробегβ-частиц до остановки значительно больше, чем α-частиц; он может составлять примерно 10 м ввоздухе или несколько миллиметров в алюминии. Пробег растет с ростом энергии; зная этузависимость, можно по измеренному пробегу найти энергию частиц.

В различных веществах сблизким атомным номером величина пробега X0 различна при одинаковой энергии лишь вследствиеразличия плотности. Поэтому предпочитают пробег выражать величиной d0=ρx0 (массой поглотителяна единицу площади), где d0 - пробег в г/см2 , x0 - пробег в см, ρ - плотность вещества в г/см3.Эмпирически установлена зависимость между максимальной энергией β-частиц в МэВ и пробегом doв г/см2:Emax=1,85(d0+0,133)(2)Формула справедлива для алюминия и других веществ с близким атомным номером для энергийбольше 0,8 МэВ ( d0 > 0,3 г/см2).При одинаковой энергии пробег α-частиц примерно в тысячу раз меньше, чем β-частиц.

Главнаяпричина этого различия заключена в том, что тяжелые α-частицы имеют меньшую скорость,поэтому, пролетая мимо атомов, дольше взаимодействуют с его электронами и могут сообщить имнеобходимый для ионизации импульс с большего пролетного расстояния. Поэтому α-частицысоздают больше ионов на единицу пути и быстрее тормозятся.Электроны, пролетая вблизи атомного ядра, движутся ускоренно и поэтому могут испускатькоротковолновое электромагнитное излучение, называемое тормозным, или рентгеновским,излучением. Потери на излучение возрастают с увеличением энергии электрона и атомного номеравещества поглотителя.Поглощение γ-излученияЭлектромагнитное излучение очень высокой частоты, испускаемое атомными ядрами, называется γизлучением.

Для различных радионуклидов энергия γ-кванта (фотона) составляет примерно от 10 кэВдо нескольких МэВ, что существенно больше, чем для света (∼2 эВ). У γ-квантов ярко выраженыкорпускулярные свойства, которые проявляются при взаимодействии с веществом. Основнымивзаимодействиями являются следующие.а) Атомный фотоэффект - фотон высокой энергии поглощается, передавая энергию одному изатомных электронов, обычно расположенному близко к ядру, и выбивает его из атома. Энергиявылетевшего электрона равна разности энергий фотона и энергии связи электрона в атоме.б) Эффект Комптона - упругое рассеяние фотона высокой энергии на свободном или слабо связанноматомном электроне, сопровождающееся уменьшением энергии фотона, так как часть энергииполучает электрон.

Применяя законы сохранения энергии и импульса в релятивистской форме, можнопоказать, что фотон с энергией Е после рассеяния на угол θ имеет энергиюE'E= E / 1 +m 0c 2(1− cos θ )где тос2 = 0,51 МэВ - энергия покоя электрона. Угол θ с разной вероятностью может быть любым.Средняя доля энергии, передаваемой электрону, изменяется от η = 0,05 при Е = 50 кэВ до η = 0,45 при1,2 МэВ.в) Рождение электронно-позитронной пары - в электрическом поле атомного ядра фотон, исчезая,может превратиться в частицу и античастицу - электрон и позитрон: γ→e-+e+. При этом энергияфотона должна превышать суммарную энергию покоя рождаемых частиц, равную примерно 1 МэВ.В отличие от ионизационного торможения заряженных частиц, которые теряют энергию мелкимипорциями, γ-квант теряет ее либо полностью в одном взаимодействии, либо крупными порциями (прикомптоновском эффекте), γ -квант может пролететь значительное расстояние, не испытав ни одноговзаимодействия (например, сотни метров в воздухе).

Энергия, переданная квантом электрону, быстротратится на ионизацию.В веществе интенсивность I узкого пучка γ-квантов одинаковой энергии уменьшается с увеличениемтолщины поглотителя x по экспоненциальному закону :I=I0exp(-µµx),(3)где I0 - интенсивность перед поглотителем, µ - линейный коэффициент ослабления γ - лучей (онизмеряется в м -1 или см -1). В слое толщиной 1/µ пучок ослабляется в е = 2,72 раза. Слойполовинного ослабления равен ln2/µ . Для фотонов с энергией 1 MэВ излучение ослабляется в двараза слоем воды толщиной примерно 10 см или свинца - 1 см.Коэффициент ослабления можно представить как сумму соответствующих коэффициентов дляфотоэффекта τ , рассеяния σ и рождения пар π :µ = τ + σ + π.На рис. 2 представлены зависимости от энергии γ-квантов коэффициента ослабления для свинца иалюминия (сплошные кривые) и их парциальные составляющие. В свинце рассеяние преобладает вобласти средних энергий, фотоэффект - для малых энергий, а образование пар - для высоких энергий.Для алюминия и других веществ из легких атомов роль фотоэффекта и образования парнезначительна.Дозы излученияЭнергия излучения, поглощенная веществом в расчете на единицу массы, называется поглощеннойдозой: D =Е /т.

Единица поглощенной дозы – г р е й : 1Гр = 1 Дж/кг. Сотая доля грея называетсяр а д: I рад = 0,01 Гр.Однако биологические эффекты зависят не только от поглощенной дозы, но и от вида излучения,точнее, от числа ионов на единицу длины трека частицы. Например, α-излучение наносит такой жевред, как в 20 раз большая доза β–излучения.

Этот факт можно учесть, если поглощенную дозуумножить на некоторый коэффициент К , называемый коэффициентом качества излучения: H= КD .Величина Н называется эквивалентной дозой. Для β- и γ-излучений К= 1, a для α-излучения К=20.Единица эквивалентной дозы называется з и в е р т, Зв. Для рентгеновского, γ- и β-излученийэквивалентная доза равна 1 Зв при поглощенной дозе 1 Гр, а для α-излучения - 20 Зв при той жепоглощенной дозе. Специальная единица эквивалентной дозы называется б э р: 1 бэр = 0,01 Зв.Экспозиционная доза определяется как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака ΣQ,созданных в воздухе при полном торможении вторичных электронов и позитронов, образующихся внекотором объеме под действием фотонного излучения, к массе т этого объема: DЭ=ΣQ/m.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги