Лабораторная работа № 66
Цель работы:
1. Ознакомиться с основными радиационными величинами и единицами их измерения.
2. Изучить правила пользования прибором РКСБ-104 для измерения ионизирующих излучений.
3. Изучить влияние толщины защиты из алюминия на мощность экспозиционной дозы излучения радиоактивного препарата.
Теоретическое введение
Радиоактивностью называется превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием различных частиц. Радиоактивность бывает естественная и искусственная. Естественная радиоактивность наблюдается у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная - у изотопов, полученных в результате ядерных реакций.
Число нераспавшихся ядер N, оставшихся в процессе самопроизвольного распада, изменяется со временем по закону радиоактивного распада
N = N 0∙exp(- l t), (1)
где N 0 - число радиоактивных ядер в момент времени t = 0.
l - постоянная распада (величина, обратная времени, за которое число нераспавшихся ядер уменьшается в е раз), связанная с периодом полураспада Т 1/2 (временем, за которое распадается половина существовавших вначале ядер) формулой,
l = ln 2/ T 1/2. (2)
Виды радиоактивности и характерные примеры соответствующих ядерных
реакций приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Виды радиоактивного распада
| Вид радиоактивности | Изменение заряда ядра | Изменение массового числа | Пример реакции |
| a - распад | Z - 2 | A - 4 | ZXA → Z -2 YA -4 + 2 He 4 |
| b- - распад | Z + 1 | A | 0 n 1 → 1 p 1 + -1 e 0 + 0 νe 0 |
| b+ - распад | Z - 1 | A | 1 p 1 → 0 n 1 + +1 e 0 + 0 νe 0 |
Кроме частиц, в процессе распада атомных ядер испускается также жесткое g -излучение.
Различные виды излучения характеризуются тем:
- что из себя представляет данная частица;
- как она реагирует на воздействие электрического и магнитного полей;
- каковы её ионизирующая и проникающая способности.
α-излучение – поток ионизированных ядер гелия Не2+; отклоняется электрическим и магнитным полями; из-за большой массы обладает большой кинетической энергией и, следовательно, большой ионизирующей способностью; из-за большой массы, больших размеров и двойного заряда обладает малой проникающей способностью.
β-излучение – поток электронов; отклоняется электрическим и магнитным полями; из-за меньшей массы обладает меньшей кинетической энергией и, следовательно, меньшей ионизирующей способностью; из-за меньшей массы, меньших размеров и одинарного заряда обладает большей (по сравнению с α-излучением) проникающей способностью.
γ-излучение – поток γ-квантов (коротковолнового излучения, λ менее 10-12м); электрически нейтрально и не отклоняется электрическим и магнитным полями; из-за отсутствия электрического заряда и малой массы обладает малой ионизирующей способностью и большой проникающей способностью (по сравнению с α- и β- излучениями).
Заряженные частицы и g -лучи, проходя через вещество, теряют свою энергию преимущественно за счёт ионизации. При этом в тканях живых организмов происходят всевозможные нарушения вследствие разрыва ковалентных и водородных связей, а также из-за образования френкелевских пар дефектов (междоузельный ион и оставленная им вакансия) в результате многократной ионизации атомов с ионной или сильной ковалентной связью.
По характеру взаимодействия с веществом ионизирующие излучения, возникающие в процессе распада атомных ядер, делятся на излучения прямого и косвенного действия. К первым относятся заряженные a- и b- частицы, которые при прохождении через вещество вызывают возбуждение и ионизацию атомов, образуя на пути своего движения пары ионов и отрицательно заряженные электроны. Заряженные частицы быстро теряют свою энергию, поэтому не могут глубоко проникать в ткани организмов, и по этой причине их называют слабо проникающими излучениями. Так, например, a- частицы поглощаются листом бумаги (см. рисунок 1). Проникающая способность b- частиц несколько выше – они поглощаются слоем алюминия толщиной ~3,0 мм.
К излучениям косвенного действия, проникающими в ткани на большую глубину, относятся излучения без электрического заряда: нейтроны, рентгеновское излучение и g -кванты. Эти частицы при взаимодействии с веществом могут создавать вторичные источники ионизирующего излучения, например за счёт эффекта Варли в веществах с ионной или сильной ковалентной связью.
Поглощение потока электронов с одинаковой энергией в однородном веществе подчиняется экспоненциальному закону
N = N 0∙exp(- µd), (3)
где N 0 и N – число электронов на входе и выходе вещества толщиной d,
µ – коэффициент поглощения - величина обратная расстоянию, на котором поток электронов уменьшается е раз.
Толщина защиты из различных материалов в зависимости от кратности ослабления k и энергии g -излучения E, МэВ приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Степень ослабления g -излучения различными материалами
| Материал | Железо | Свинец | Бетон | ||||||||||
| Е, МэВ k | 0,1 | 0,2 | 0,5 | 1,0 | 0,1 | 0,2 | 0,5 | 1,0 | 0,1 | 0,2 | 0,5 | 1,0 | |
| 0,7 | 1,2 | 2,5 | 3,3 | 0,1 | 0,2 | 0,5 | 1,3 | 4,7 | 7,6 | 12,3 | 12,4 | ||
| 1,4 | 2,5 | 4,8 | 6,4 | 0,2 | 0,4 | 1,1 | 2,8 | 5,6 | 11,0 | 21,1 | 23,5 | ||
| 1,9 | 3,5 | 6,3 | 8,5 | 0,3 | 0,9 | 1,6 | 3,8 | 8,2 | 14,6 | 25,8 | 29,9 | ||
| 3,4 | 6,1 | 10,8 | 14,5 | 0,5 | 1,0 | 3,0 | 7,0 | 11,5 | 21,1 | 39,9 | 50,5 | ||
Для количественной характеристики различных величин, характеризующих процесс взаимодействия излучения с веществом, введены специальные единицы. Так, активность радиоактивного препарата в системе СИ измеряется в Беккерелях (Бк). 1 Бк соответствует одному ядерному распаду в секунду. Чаще используются внесистемная единица радиоактивности – Кюри (1 Ки = 3,7 ∙1010 к).
Загрязнение окружающей среды характеризуется плотностью радиоактивности, которая определяется по отношению к единице площади (Ки/км2) или к единице массы (Бк/кг).
Степень воздействия источников ионизирующего излучения на различные объекты характеризуется дозой излучения.
Экспозиционная доза характеризует степень радиационного воздействия электромагнитных излучений. В системе СИ за единицу экспозиционной дозы принята величина 1 Кл/кг. Более известна внесистемная единица - Рентген (Р) (1 Р = 2,∙10-4 Кл/кг). Рентген - это такая доза рентгеновского и гамма-излучения, при которой в 1 см3 сухого воздуха при 0 оС и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,08∙109 пар ионов. Мощность дозы выражается в Р/час. На территории России естественный гамма-фон составляет ~ 8,7 мкР/час.
Поглощённая доза характеризует энергию, выделившуюся в единице массы вещества при торможении в нём заряженных частиц. В системе СИ за единицу поглощённой дозы принят 1 Грей (Гр). 1 Грей = 1 Дж/кг и соответствует энергии в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества. Часто используется внесистемная единица - рад (1 рад = 0,01 Гр).
Эквивалентная доза учитывает качество излучения, поскольку разные виды излучений неравноценны по радиобиологическому воздействию на живые организмы. Для количественной оценки этого фактора введён коэффициент качества излучений (КК), произведение которого на поглощённую дозу и является эквивалентной дозой. Эквивалентная доза измеряется в Зивертах (Зв). Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр - биологический эквивалент рентгена (1 бэр = 0,01 Зв).
Эквивалентная доза облучения от естественных источников на большей части территорий Земли составляет 1мЗв в год (0,1 бэр в год). В некоторых районах доза составляет от 28 до 120 мЗв в год (2,8 - 12 бэр в год).
Описание установки
В данной работе экспериментально определяется мощность эквивалентной дозы b -излучения в зависимости от толщины защитных фильтров из алюминия.
Стенд содержит прибор РКСБ-104 для измерения ионизирующих излучений, кассету для размещения радиоактивного препарата и защитных фильтров.
Схема установки приведена на рисунке 2.
В качестве радиоактивного препарата используется источник b -излучения с изотопами стронций-90 + иттрий-90. Характеристики источников данного типа приведены в таблице 3.
Таблица 3 Характеристики используемых источников радиоактивного излучения
| Изотоп | Название | Период полураспада | Максимальная энергия, кэВ |
| 90Sr Þ Þ 90Y | Стронций-90, Иттрий-90 | 28 лет 64.2 часа |
Через некоторое время после включения радиометра на счётных разрядах индикатора устанавливаются показания, а прибор выдаёт прерывистый звуковой сигнал. Время индикации измеренного значения составляет порядка 14 с, после чего цикл измерений повторяется.
В состав комплекта входят 5 фильтров защиты из алюминия толщиной 0,2; 0,4; 0,8; 1,6 и 3,2 мм.
