Высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Заочный факультет
Кафедра ядерной физики
Лабораторная работа №5
Тема: Исследование поглощения γ-излучения в веществе.
Выполнил:
студент группы ЭиА-С12-з
Казаков Е.И.
Проверил: Гончарова И.Н.
Обнинск 2015
Цель работы: определение линейного коэффициента ослабления различных веществ, энергии γ-квантов, определение вклада каждого эффекта в процессс поглощения.
Ход работы:
Атомное ядро может иметь избыточную энергию (быть возбуждённым) в результате радиоактивного распада или в результате искусственно вызванного ядерного превращения(ядерной реакции).Ядро не испытывает разрушения если его избыточная энергия выделяется при радиационном переходе(гамма-излучение) либо передаётся непосредственно электронной оболочке собственного атома.
Пучок гамма-квантов испытывает в веществе электромагнитные взаимодействия с яд рами и электронами. Однако в отличии от заряженных частиц гамма-кванты не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил, поскольку они не имеют электрического заряда. Поэтому гамма-кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, чем и объясняется большая проникающая способность гамма-квантов. При столкновениях гамма-кванты либо поглощаются, либо рассеиваются, резко отклоняясь и изменяя свою энергию.
/ 08HlxQwKuyn11ofkNXpsGJC9/iPpONUwyEESO83OW3udNkgzBl+eUdD+/R7s+8e+/AkAAP//AwBQ SwMEFAAGAAgAAAAhAA0tdzzdAAAACQEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj8FOwzAQRO9I/IO1 SFwQtRtVUUnjVAgJxIFLUz5gE5skarwOsduk/Xq2XOC2szuafZNvZ9eLkx1D50nDcqFAWKq96ajR 8Ll/fVyDCBHJYO/JajjbANvi9ibHzPiJdvZUxkZwCIUMNbQxDpmUoW6tw7DwgyW+ffnRYWQ5NtKM OHG462WiVCoddsQfWhzsS2vrQ3l0GnbVGj/e1Xfpz5RepksZ3h6GWuv7u/l5AyLaOf6Z4YrP6FAw U+WPZILoWa+SJVt5eFqBuBp+F5WGNFEgi1z+b1D8AAAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS /gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhAF77xbgZAgAANAQAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAG AAgAAAAhAA0tdzzdAAAACQEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAcwQAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYA AAAABAAEAPMAAAB9BQAAAAA= " o:allowincell="f" strokeweight="2.25pt"/>
1 5 6 7
2 3
1- Источник гамма-излучения 137Cs 5- Сцинтилляционный детектор
2- Защитный контейнер 6- Однокканальный амплитудный анализатор
3- Пучок гамма-квантов 7- Пересчётное устройство
4- Ослабляющие фильтры
Рисунок 1 – Схема установки
В ходе данной лабораторной работы используется в качестве рабочего элемента 137Cs.
0,66
Таблица 1 – Таблица данных (Алюминий: толщина – 0,5 см, Nф = 27)
| № | Толщина поглотителя | Ni | ln(Ni-Nф) | 2δyi |
| 7,985 | 0,0369 | |||
| 0,5 | 7,857 | 0,0394 | ||
| 7,811 | 0,0403 | |||
| 1,5 | 7,702 | 0,0425 | ||
| 7,629 | 0,0441 | |||
| 2,5 | 7,518 | 0,0466 | ||
| 7,385 | 0,0498 | |||
| 3,5 | 7,289 | 0,0523 | ||
| 7,247 | 0,0534 | |||
| 4,5 | 7,135 | 0,0565 | ||
| 6,972 | 0,0613 | |||
| 5,5 | 6,850 | 0,0651 | ||
| 6,787 | 0,0672 | |||
| 6,5 | 6,680 | 0,0709 | ||
| 6,574 | 0,0747 | |||
| 7,5 | 6,503 | 0,0774 |
α1 = 7,9956
α2 =0,1997
2σ α1 =0,0227
2σ α2 =0,0065
ν =14
χ2 =17,1975
см-1
Таблица 2 – Таблица данных (Медь: толщина – 0,17 см, Nф = 27)
| № | Толщина поглотителя | Ni | ln(Ni-Nф) | 2δyi |
| 7,988 | 0,0369 | |||
| 0,17 | 7,922 | 0,0381 | ||
| 0,34 | 7,780 | 0,0409 | ||
| 0,51 | 7,667 | 0,0433 | ||
| 0,68 | 7,586 | 0,045 | ||
| 0,85 | 7,474 | 0,0477 | ||
| 1,02 | 7,310 | 0,0517 | ||
| 1,19 | 7,224 | 0,054 | ||
| 1,36 | 7,142 | 0,0563 | ||
| 1,53 | 7,043 | 0,0591 | ||
| 1,7 | 6,892 | 0,0638 | ||
| 1,87 | 6,810 | 0,0664 | ||
| 2,04 | 6,661 | 0,0716 | ||
| 2,21 | 6,551 | 0,0756 | ||
| 2,38 | 6,521 | 0,0768 | ||
| 2,55 | 6,333 | 0,0843 |
α1 =8,0062
α2 = 0,6463
2σ α1 =0,0185
2σ α2 =0,016
ν =14
χ2 =11,3141
см-1
Таблица 3 – Таблица данных (Свинец: толщина – 0,1 см, Nф = 27)
| № | Толщина поглотителя | Ni | ln(Ni-Nф) | 2δyi |
| 8,025 | ||||
| 0,1 | 7,909 | |||
| 0,2 | 7,756 | |||
| 0,3 | 7,658 | |||
| 0,4 | 7,522 | |||
| 0,5 | 7,466 | |||
| 0,6 | 7,263 | |||
| 0,7 | 7,165 | |||
| 0,8 | 7,063 | |||
| 0,9 | 6,987 | |||
| 6,868 | ||||
| 1,1 | 6,751 | |||
| 1,2 | 6,569 | |||
| 1,3 | 6,531 | |||
| 1,4 | 6,431 | |||
| 1,5 | 6,315 |
α1 = 8,0066
α2 = 1,1532
2σ α1 = 0,0227
2σ α2 = 0,0338
ν = 14
χ2 = 16,9337
см-1
Используя таблицу зависимости 
, по полученной величине 
определим энергию 
-квантов источника: 
МэВ, 
МэВ, 
МэВ. На рисунке 2 приведены графики функций ослабления.
Алюминий:
Медь:
Свинец:
Вывод: В ходе данной лабораторной работы было изучено взаимодействие гамма излучения с веществом. Были проведены необходимые измерения, расчёты. Построен график зависимости энергии гамма частиц от толщины слоя, определен линейный коэффициент ослабления различных веществ 
см-1, 
см-1, 
см-1 и энергии γ-квантов МэВ, МэВ, МэВ.
Контрольные вопросы:
1) Процессы взаимодействия γ-квантов с веществом
γ -Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении γ -излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. γ -Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка γ -квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которой описывается экспоненциальным законом I = I0e-μx(I0 и I — интенсивности γ -излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, μ — коэффициент поглощения). Так как γ -излучение — самое проникающее излучение, то μ для многих веществ — очень малая величина; μ зависит от свойств вещества и от энергии γ -квантов.
γ -Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрами. Доказывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение γ -излучения через вещество, являются фотоэффект, Комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.
Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение γ -излучения — это процесс, при котором атом поглощает γ -квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий γ -квантов (Еγ <100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить γ -квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.
По мере увеличения энергии γ -квантов (Еγ ≈ 0,5 МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом взаимодействия γ -квантов с веществом является комптоновское рассеяние.
При Еγ >l,02 МэВ=2mec2 (me — масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электронно-позитронных пар в электрических полях ядер- Вероятность этого процесса пропорциональна Z2 и увеличивается с ростом Еγ. Поэтому при Еγ ≈ 10 МэВ основным процессом взаимодействия γ -излучения в любом веществе является образование электронно-позитронных пар.
Если энергия γ -кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7—8 МэВ), то в результате поглощения γ -кванта может наблюдаться ядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.
Воздействие γ -излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения.
2) Написать выражения для определения линейного и массового коэффициентов ослабления для всех процессов взаимодействия
Характеристикой ослабления γ -излучения в веществе является линейный коэффициент ослабления μ, обычно измеряемый в см-1. Иногда вводят массовый коэффициент ослабления, равный отношению μ к плотности вещества р; в этих случаях коэффициент ослабления измеряют в см2/г.
3) Подсчитать массовые коэффициенты поглощения для различных материалов поглотителя и сделать заключение о влиянии комптоновского процесса взаимодействия при исследуемой энергии γ-квантов.
В области энергий фотонов Еγ > 10Iк сечение комптоновского рассеяния σКе становится существенно преобладающим над соответствующим сечением фотоэффекта и оказывается основным фактором ослабления потока γ -квантов. Это положение демонстрируется на графике, где представлена зависимость от энергии Еγ сечения фотоэффекта на один электрон (штриховые линии) для ряда веществ
4) Устройство и принцип действия сцинтилляционного детектора.
Детектор частиц, действие которого основано на регистрации световых вспышек в видимой или УФ-области, возникающих при прохождении заряженных частиц через сцинтиллятор. Доля энергии, конвертированная в световую вспышку 
от полной энергии (
), потерянной частицей в сцинтилляторе, называется к о н в е р с и о н н о й э ф ф е к т и в н о с т ь ю. Она является основным. параметром сцинтилляционного детектора. Иногда вместо конверсионной эффективности используют уд. световой выход (свето-выход) - число образованных частицей фотонов на единицу потерянной энергии 
, или ср. энергию, расходуемую на образование одного фотона, w ф= 
w/ С к.
Здесь 
-ср. энергия фотонов световой вспышки (
3 эВ).
Для наибольшей эффективности сцинтилляторов значение С к достигает 0,1-0,3. Конверсионная эффективность зависит от типа регистрируемой частицы и от её уд. потерь энергии. Для данного сцинтиллятора С к может зависеть от температуры T, наличия примесей и соотношения различают компонент в сцинтилляторе.
Сцинтилляционный счетчик обладает спектроскопическими свойствами, т. е. интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в широкой области энергии. Только в области малых энергий, где резко возрастает уд. потеря энергии, световыход падает и пропорциональность нарушается.
Механизмы преобразования энергии частицы в световую вспышку различны для разных сцинтилляторов. В большинстве случаев они могут быть сведены к след. (упрощённой) схеме: 1) ионизация и возбуждение атомов и молекул, образование радикалов; 2) перенос энергии возбуждения к центрам свечения (радиационный, резонансный, экситонный, электронно-дырочный); 3) возбуждение и высвечивание центров свечения. Нейтральные частицы регистрируются благодаря передаче энергии заряженным: g-кванты- по электронам и позитронам (см. Гамма-излучение ), нейтроны - по протонам отдачи (при упругом рассеянии) или по заряженным частицам, возникающим в ядерных реакциях нейтронов с веществом сцинтиллятора.
Рисунок 1 - Схема сцинтилляционного детектора:
Сц - сцинтиллятор,
Св-светопровод,
Ф - фотокатод,
Д - диноды,
А - анод.
Основные элементы счетчика (рисунок 1) - сцинтиллятор и соединённый с ним оптически фоторегистратор, преобразующий энергию световой вспышки в электрический импульс. В качестве фоторегистратора обычно используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Световые фотоны, попадая нафотокатод ФЭУ, выбивают из него электроны, к-рые фокусируются на 1-й динод, размножаются динодной системой в результате процессавторичной электронной эмиссии и окончательно собираются на аноде ФЭУ, создавая в его цепи электрический импульс.
5) Возможный эффект нарушения экспоненциальной зависимости ослабления интенсивности вследствие многократного комптоновского рассеяния.
Рассеяние с измерением длины волны (комптон-эффект) возникает тогда, когда энергия падающего кванта превышает энергию связи электрона в атоме. Комптоном было предложено трактовать указанный эффект как упругое рассеяние частиц-фотонов на свободных электронах. В каждом отдельном акте взаимодействуют один фотон и один электрон (электроны в этом случае можно считать свободными, так как энергия падпющих квантов превосходит энергию связи электронов в атомах)
7) Возникновение γ-излучения в источнике 137Сs
При α- и β-распадах возможно возникновение γ-излучения. Γ-кванты образуются в результате β-распадов изотопов 137Сs на возбужденное состояние изотопа 137Ва. В результате распада возбужденного состояния 11/2- Е = 0,66 МэВ изотопа 137Ва образуются γ-кванты с энергией 0,66 МэВ.
