Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления ИЗМЕРЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО ФОНА Методические указания к выполнению лабораторной работы по физике для всех специальностей всех форм обучения Одобрено редакционно-иэдательским советом Балаковского института техники. технологии и управления Балаково 2009 Лабораторная работа Измерение радиационного фона Цель работы - изучение характеристик и измерение радиационного фона при помощи индивидуального дозиметра.. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Общие сведения Радиационным земли фоном радиоактивное называется излучение, присутствующие причиной которого на поверхности являются продукты реакции ядерных процессов, происходящих в ближайшей области космического пространства а также на поверхности и в глубине Земли. Различают несколько причин происхождения такого излучении. Во-первых, это продукты ядерных реакции, происходивших на земле и ранние периоды существования как планеты, во- вторых, это последствия взаимодействия частиц высокой энергии, приходящих от Солнца и вступающих в реакции с ми атмосферы и поверхности земли, в-третьих, это продукты ядерных реакций которые могут происходить внутри земли вблизи ее центра, гае температуры и давления соответствуют возможностям протекания таких реакции, наконец, и в четвертых, это реакции между продуктами технической и, в том числе, научной, энергодобывающей и производственной деятельности человечества. Учитывая вышеперечисленные причины, разделяют радиационный фон на естественный (в результате трех первых причин) и техногенный, обязанный четвертой категории причин. Изучение и наблюдение радиационного фона, мониторинг его изменений и выявление его источников представляют крайне важную не только техническую и научную задачи, но и составляют необходимые условия обеспечения безопасности и устойчивости развития человечества. В связи с этим производство измерений и мониторинг радиационного фона имеют не только техническое, но непосредственно медицинское значение как при- родного и техногенного фактора, могущего повлиять не только на состояние среды обитания, но и быть причиной появления юн радиационного риска, пребывание в которых негативно отражается на человеческом организме. Следует сказать, что влияние радиационного фона на здоровье организма изучено недостаточно. Здесь проявляются такие трудноизмеримые факторы, как индивидуальность состояния и сопротивляемости организма, невозможность определения и локализации элементарного разрушения; в результате радиационного процесса. В процессе эволюции. находясь в условиях радиационного фона, человеческий организм адаптировался к возможным радиационным разрушениям, однако нельзя считать, что радиационный фон полностью безвреден, поскольку малые дозы радиоактивных повреждений не вызывают в состоянии здоровья человека обьсктив1ю выраженных изменений. Физические принципы измерения радиационного фона Радиационный фон является результатом ядерных реакций распада радиоактивных изотопов или ядерных реакций между частицами высоких энергий и ядрами обычных не радиоактивных атомов. Распад радиоактивных изотопов может происходить по нескольким каналам: I) α-распад состоит в самопроизвольном испускании ядром изотопа αчастицы с массовым числом -4 и зарядовым числом -2, т.е. ядра атома гелия (Не), при этом ядро изотопа, называемое материнским превращается в дочернее ядро с соответственными изменениями массового и зарядового чисел. Уравнение реакции распада записывается в виде: . 2) β-распад заключается в спонтанном испускании материнским ядром электрона или позитрона, соответственно он называется электронным или позитронным β-распадом. В результате распада образуются элек- трон и нейтральная безмассовая частица — антинейтрино или позитрон и частица — нейтрино. Ни реакции записываются в виде 3) К-захват представляет процесс захвата электрона преимущественно с К- оболочки атома, поскольку она ближайшая к ядру, Результатом захвата является превратен не одного из прогонов ядра в нейтрон, ядро при этом превращается в ядро изотопа элемента, стоящего на единиц) выше в таблице элементов Менделеева. При »том. поскольку масса ядра не вменяется, возможны дальнейшие его превращения и деления вследствие уменьшения величины дефекта массы, приходящейся на один нуклон. Уравнение процесса К- захвата 4) γ-излучение ядер возникает при переходе ядра из возбужденного состояния в основное за время 10-13 – 10-14 с. Гамма-лучи являются нейтральной компонентой. Они представляют собой жесткое электромагнитное излучение ( λ<10-10 м) в виде фотонов, и при сравнительно низких энергиях (несколько электрон вольт) обладают относительно слабой ионизирующей способностью. С увеличением энергии фотоны приобретают очень большую проникающую способность и возможность возбуждения не только атомов но и ядер. Очень мощным природным но. очи и ком фотонов большой энергии является Солнце. В солнечных вспышках излучаются рентгеновские фотоны с энергией 1 КэВ. Возбужденные ядра могут быть получены в результате бомбардировки их заряженными или нейтральными частицами; поглощения ядром фотона: в результате а- или β-распадов, когда ядро образуется в возбужденном состоянии. Возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточ- ных состояний, поэтому γ- излучение одного и того же радиоактивного элемента может содержать несколько групп γ-квантов, отличающихся тершей. Спектр γ-лучей всегда дискретный, что позволяет говорить о дискретности ядерных уровней. Все перечисленные выше процессы могут иметь место на поверхности Земли и даже в ее недрах, поскольку некоторые горные породы, н частности гранит, образовались в тот период существования Земли, когда радиационная обстановка на се поверхности была гораздо более жесткой. Еще одна причина радиационной опасности заключается в существовании в околоземном пространстве так называемого радиационного пояса, открытого в 19571958 гг. после запусков первых спутников. Как сейчас известно, этот пояс находится, в своей большей части, выше границы атмосферных слоев, имеет довольно сложную и динамическую изменяющуюся структуру, зависящую от солнечных и космических потоков частиц и играет двоякую роль в изменениях радиационной обстановки на Земле. Пространство радиационного пояса представляя часть тора, заполненную линиями индукции геомагнитного поля Земли. Внутри Земли они имеют направление от южного магнитного поля к северному, а во внешней. относительно Земли, области — наоборот, от северного к южному. Внешняя область тора значительно больше внутренней и содержит значительную область геомагнитного поля. Согласно закону Лоренца, заряженная част та. влетающая в область магнитного поля под углом к линиям магнитной индукции, терпит отклонение траектории в направлении перпендикулярном направлению движения. Это означает, что частицы высокой энергии из космического пространства, попадая в магнитное иоле начинают двигаться по винтовым линиям (рис. 1) Рис. 1 Схематическое упрощенное изображение структуры радиационного пояса Земли: N и S – северный и южный географические полюсы Земли, 1 – внешняя граница радиационного пояса, примерно 17000 км от поверхности Земли, 2 – траектория частицы высокой магнитной ловушке, 3 –примерная орбита околоземных спутников, 4 – зона электронов с энергией около 1 МэВ В этом состоит положительное значение пояса, поскольку, находясь в магнитной ловушке, частицы высокой энергии могут расходовать ее в результате неупругих столкновений с молекулами остаточных газов ионосферы Однако, потоки частиц, приходящие извне, постепенно увеличивают концентрацию частиц в ловушке В случаях резких изменений геомагнитного поля (магнитных бурь), происходит высыпание частиц из радиационного пояса. Результатом этого является красивое природное явление — северное сияние, происходящее от высвечивания атомов, возбужденных частицами, покидающими радиационный пояс Однако при таком процессе происходи- турбулентное перемешивание потоков, в результате которого увеличивается вероятность аннигиляции электронов и нош тронов при сближении и столкновениях. В результате аннигиляции образуются два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие энергию из кинетической энергии е+ и е-. При высокой энергии е+ и е- образуются тяжелые частицы – адроны и пары кварк – антикварк. Энергии образовавшихся частиц достаточны для радиационных повреждений и возникновения явлений радиационных последствий в организме. В настоящее время измерениям уровня радиационного фона придается большое значение. Датчики радиационного фона и световые табло установлены в общественных зданиях, вокзалах, супермаркетах, вузах и т. д. Единицы и приборы для измерения радиационного фона Мерой радиационного фона на местности, внутри здания или лабораторий является мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения. В системе СИ это есть отношение экспозиционной дозы излучения к времени, за которое эта доза излучения передана сухому атмосферному воздуху. Это определение построено на том принципе, что излучение ионизирует молекулы. Количество зарядов в килограмме сухого воздуха служит единицей мощности экспозиционной дозы. Единица имеет размерность Кул/кг с или А/кг. В медицинской практике пользуются несколько иным определением, а именно мощностью поглощенной дозы в тканях организма как в результате внешнего обличения, так и внутреннего, вследствие воздействия радионуклидов (радиоактивных продуктов ядерных реакций), содержащихся или попавших в организм. Внесистемной единицей мощности экспозиционной дозы излучения являются Рентген/с, Рентген/час, мРентген/час и мкРентген/час. Они образованы от наименования экспозиционной дозы излучения – 1 Рентген. Соотношение между системной и внесистемной единицами 1 Р = 2,58 10-4 Кл/кг Характеристикой излучения служит также величина эффективной или эквивалентной дозы излучения, единицей которой в СИ служил I Зиверт. Эквивалентная доза излучения определяется как произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения. учитывающий степень неблагоприятных биологических последствий излучений в малых лотах. Его дольные единицы — Зв, мЗв, мкЗв. Единица Зиверт связана с единицей биологического эквивалента Рентгена. За биологический эквивалент Рентгена принимается поглощенная доза любого вида облучении радиоактивного вызывает такой же излучено, которая биологический эффект, при как хроническом поглощенная доза в I Рентген. На этом основании имеет место приближенное соотношение: 1Зв ~ 100 Р Современные приборы для обнаружения, регистрации и измерения радиоактивного облучения обычно калибруются в мкЗв/ч или мкР/ч. В работе можно пользоваться переводным соотношением: 1 Р ~ 0,01 Зв Законы радиоактивного распада Радиоактивный распад – статистическое явление , можно лиш указать, с какой вероятностью ядро распадется за находящихся в определенном энергетическом состоянии, вероятность распада за единицу времени является постоянной величиной и называется постоянной радиоактивного распада (λ), имеет размерность [с-1]. Так как процесс распада самопроизвольный, то изменение (dN) числа ядер Т из-за распада за промежуток времени от t до t+dt, определяется только количеством радиоактивных ядер N в момент времени t и пропорционально промежутку dt: -dN= = λ N dt, минус указывает, что число радиоактивных ядер уменьшается. Интегрируя это выражение и считая, что при t = 0, N = N0, получим N = N0 e-λt, т.е. число ядер убывает по экспоненциальному закону. Радиоактивные элементы характеризуются периодом полураспада временем – Т, в течение которого распадается половина исходного числа ядер. Подставляя условие N(T) = N0/2 в уравнение (1), получаем: N0/2 = N0e-λt, следовательно, T = ln2 / λ = 0.692 / λ. Лругой характеристикой времени распада является величина среднего времени житии радиоактивного ядра: τ = 1 / λ. За время τ первоначальное число ядер уменьшается в е раз. Статистический характера закона радиоактивного распада заключается в том. что он выполняется строго, когда N0 достаточно велико. При небольших N0 наблюдаются флуктуации числа распавшихся ядер в единицу времени около некоторого среднего значения. Флуктуацией называют отклонение результата одиночною измерения от среднего значения величины измерения. Эти флуктуации подчиняются закону распределения Пуассона, на основании которых определяется статистическая точность опытных результатов. Формула показывает. какова вероятность появления n событий за время — t. где k – параметр распределения n – число распадов за время t. Наличие в знаменателе факториала резко снижает вероятность появления большого числа распадов. При этом, чем меньший интервал времени используется при измерениях, тем больше флуктация результата измерения. При недостаточной длительности процесса измерения флуктация может сравняться или даже превысить среднее значение. Такой результат изменений нельзя считать корректным и следует повторить его, увеличив временной интервал полсчета числа распадов. Описание установки, теория метода В комплект оборудования лабораторной работы входит дозиметр АНРИ-0102 «Сосна». Дозиметр состоит из счетчика Гейгера - Мюллера и электронной пересчетной схемы на транзисторах. осуществляется следующим устанавливается в образом. положение «МД». Проверка исправности Переключатель Нажимается режима кнопка дозиметра работы «контроль» и удерживается в нажатом состоянии, а затем кнопкой «пуск/стоп» запускается счетчик импульсов. Счетчик представляет собой тонкостенную камеру цилиндрической формы диаметром около I см. заполнению инертным газом (apгоном, гелием и др.) при небольшом давлении. С внутренней стороны камера покрыта тонким слоем металла, который служит катодом. Анодом является тонкая металлическая нить диаметром около 0.05 мм, протянутая на оси цилиндра. Таким образом, геометрия электродов счетчика аналогична геометрии обкладок цилиндрического конденсатора. Напряженность электрического поля велика около поверхности анодной нити и сравнительно мала внутри остального пространства счетчика.. При достаточно высоком напряжении на счетчике положительные ионы, достигнув стенок катода, выбивают из них электроны и тем самым порождают новые лавины. В этом случае разряд становится самостоятельным (непрерывным). Возникает проблема его гашения. В противном случае различить частицы, следующие друг за другом невозможно. Счетчик Гейгера-Мюллера работает в режиме самостоятельного разряда с гашением. В этих счетчиках импульс напряжения не зависит от энергии регистрируемой частицы. Требования безопасности труда Включение радиометра и его проверка разрешается только в присутствии лаборанта или преподавателя. 1.При выполнении работы следует точно руководствоваться после- довательностью действий записанных в методическом руководстве. 2.Запрещается во время работы вскрывать заднюю крышку дозиметра, на счетчик подается повышенное напряжение 3.Вставлять дозиметр в свинцовую камеру и вынимать его следует осторожно, не допуская лишних усилий. 4 Записывайте каждый результат измерения, включая нулевые. Методика эксперимента Оборудование и принадлежности: дозиметр со счетчиком Гейгера-Мюллера и пересчетным устройством, на передней панели которою имеется жидкокристаллическое табло и кнопки включения, контроля и управления. Перед включением дозиметра, ознакомьтесь с инструкцией. Свинцовая камера для изоляции дозиметра от всестороннего потока естественною фона имеет окно для пропускания потока естественного фона, выделяющее определенное направление, и боковое прямоугольное отверстие для помещения радиометра. Задание I. Измерение величины естественного фона внутри свинцовой камеры. I Включить дозиметр кнопкой справа — ВКЛ, 2. Провести проверку дозиметра, после индикации на цифровом табло 0.000 , убедившись, что левая кнопка находится в положении - мд., нажать кнопку «пуск/стоп». 3. При правильной работе дозиметра, поместить его внутрь свинцо- вой камеры и открыть ее окно, отодвинув преграду в боковом направлении. 4. Включить дозиметр на 20 секунд. 5. Записать показания дозиметра и включить его повторно. Следует учесть, что дозиметр АНИ-01-02 проградуирован в мР/ч, чтобы получить более удобные для расчетов результаты, следует умножать показания на 1000 и записывать в мкР\ч. 6. Повторить эту операцию 20-25 раз. Это необходимо для более точного результата, поскольку точность измерения 20 секундного временного интервала составляет 5 секунд, что составляет 25%, а этого совершенно недостаточно для уверенного измерения уровня естественного фона в мкР/ч. Ознакомьтесь с методикой вычисления погрешностей, чтобы правильно оценить точность вашею измерения радиационного фона. Задание 2. Измерение радиационного фона в свободном пространстве Вынуть радиометр в свинцовой камеры и повторить все операции 1 задания 1. 2 Определить величину радиационного фона в свободном пространстве, как записано в пп. 4-6 задания 1 и записать ее в лабораторную тетрадь. 3. Разделить величину радиационного фона, полученную в задании I на ту же величину, полученную в задании 2. 4. камеры, Полученный результат есть коэффициент экранирования свинцовой т.е. та часть интенсивности радиационного фона, которая отсекается свинцовыми стенками камеры, конечно без учета того, что частицы очень высокой энергии могут но их количество не очень велико. преодолеть толщину стенок камеры, По полученным результатам намерений в камере и открытом пространстве следует аккуратно построить две гистограммы распределений интенсивности радиационного фона. На горизонтальной оси откладываются полученные показания интенсивности фона по дозиметру — X, а по вертикальной оси. количество отсчетов соответствующей интенсивно n. Количество отсчетов - n 2 0 5 10 15 0 5 10 15 6 4 2 Отчет по дозиметру мкР/ч Рис. 2 Пример построение двух распределений измерений радиационного фона в условиях лаборатории. Средние значения интенсивности для верхнего графика – 6 мкР/ч, нижнего – 8мкР/ч. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА По построенным распределениям определить средние арифметические течения радиационного фона, подученные в заданиях I и 2. Для этого нужно найти сумму всех значений радиационного фона для каждого из распределений и разделить ее на количество измерений. При этом, если имеются измерения с результатом 0, их необходимо учитывать в подсчете числа измерений. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАбОТЕ Отчет по работе должен содержать: I. Название и цель лабораторной работы. 2 Основные понятия, описание работы дозиметра, вывод рабочей формулы. 3.Результата и обработку измерений: вывод по работе. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1.Что называют радиоактивным фоном, какие его виды наиболее известны? 2.В чем суть закона радиоактивного распада? Объясните физический смысл постоянной распада; что такое период полураспада? 3.Какие существуют детекторы для регистрации излучений и частиц? 4 Объясните принцип работы и устройство счетчика Гейгера-Мюллера. 5 Объясните из каких частей состоит дозиметр и расскажите последовательность работы с ним. 7. Как оценивается погрешность измеренной величины? Время, отведенное на лабораторную работу Подготовка к работе 2 акад. часа Выполнение работы 1 акад. час Оформление результатов эксперимента и отчета 1 акад. час Литература 1.Трофимова Т.И. Курс общей физики: учебник для вузов. -5-е изд.-М.: Высшая школа, 2002. 2.Савельев И.В. Курс физики: в 5 кн: учеб.пособие для вузов. – М.: Издательство "Лань», 2007.-Кн. 5:Квантовая механика. Атомная физика. 3. Сальников А.Н. Физический практикум-Саратов: СГТУ; 2003.-Т.1. СОДЕРЖДНИЕ Основные понятия Цель работы…………………………………………………………………….…2 Общие сведения…………………………………………………………………...2 Физические принципы измерения радиационного фона……………………….3 Единицы и приборы для измерений радиационного фона……………………..7 Описание установки, теория метода……………………………………………10 Требования безопасности труда………………………………………………...11 Методика эксперимента Задание 1. Измерение радиационного фона внутри свинцовой камеры……..11 Задание 2. Измерение радиационного фона в свободном пространстве…….12 Обработка результатов эксперимента………………………………………….13 Содержание и оформление отчета по работе……………………………….....14 Вопросы для самопроверки Время, отведенное на лаборторн6ую работу Литература…………………………………………………………………...…..14 ИЗМЕРЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО ФОНА Методические указания к выполнению лабораторной работы по физике для студентов всех специальностей всех форм обучения Составил Леонов Петр Васильевич Рецензент В.В. Никифоров Редактор Л.В. Максимова Подписано в печать 29.05.09 Формат 60Х84 1/16 Бумага тип. Усл. печ. Л. 1,0 Уч.-изд. Л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 79 Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер БИТТиУ, 413840, г. Балаково, ул. Чапаева, 140
