Поглощение гамма-лучей

Опытом доказано, что чем больше плотность тел, тем больше они ослабляют γ-излучение. Одним из наименее проницаемых для γ-излучения металлов оказывается свинец, наиболее проницаемым металлом (более чем стекло) – алюминий (рис. 6.3).

Поглощение γ-лучей, как и любого другого электромагнитного излучения, зависит от толщины слоя поглощающего их вещества. Для каждого вида излучения в зависимости от энергии фотона изменяется характер поглощения, как это имеет место для гамма-квантов больших энергий, поглощающихся с образованием пар электрон-позитрон. Экспериментальные данные показали, что интенсивность параллельного пучка гамма-лучей, прошедших слой вещества толщиной х в достаточной мере описывается законом Бугера-Ламберта

, (6.3)

где m - коэффициент поглощения гамма-лучей, зависящий от длины волны и рода вещества.

Учитывая все три вида взаимодействия гамма-квантов с веществом, о которых мы говорили, коэффициент поглощения можно представить в виде

где - коэффициенты поглощения для фотоэффекта, эффекта Комптона и процесса рождения электрон-позитронной пары соответственно (рис. 6.3).

Таблица 1

а) коэффициент ослабления g-излучения для алюминия.

hn, МэВ
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,661 0,7 0,8 1,0 1,25 1,5 2,0 3,0 4,0	0,375 0320 0,276 0,247 0,226 0,209 0,198 0,192 0,184 0,165 0,146 0,135 0,115 0,091 0,075	0,049 0,053 0,0015 0,0007 0,0004 0,0002 0,00017 0,00015 0,0001 - - - - - -	- - - - - - - - - - - 0,00046 0,0019 0,0052 0,0084	0,459 0,331 0,282 0,250 0,228 0,211 0,200 0,194 0,185 0,166 0,147 0,135 0,116 0,096 0,084

где коэффициенты приведены к толщине слоя в 1 см.

б) коэффициент ослабления g-излучения для свинца.

hn, МэВ
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,661 0,7 0,8 1,0 1,25 1,5 2,0 3,0 4,0	1,132 1,036 0,924 0,838 0,769 0,716 0,690 0,664 0,630 0,567 0,506 0,462 0,396 0,311 0,260	59,382 9,633 3,332 1,607 0,937 0,614 0,500 0,420 0,325 0,205 0,140 0,094 0,056 0,029 0,019	- - - - - - - - - - - 0,0187 0,0561 0,01300 0,1900	62,681 11,283 4,520 2,599 1,805 1,399 1,280 1,180 0,993 0,798 0,660 0,587 0,515 0,472 0,472

Значения коэффициентов поглощения m, а также коэффициентов для разных веществ в зависимости от энергии кванта падающего излучения приводятся обычно в виде таблиц и графиков в справочной литературе,

На рис. 6.3 приведены зависимости коэффициентов от энергии квантов, при падении g-излучения на свинец и алюминий. Более точно эти зависимости в виде цифр представлены в таблице 1.

Рис. 6.3. Зависимость коэффициентов поглощения от энергии g-квантов:

а - для свинца; б - для алюминия.

Закон Бугера-Ламберта (6.6) позволяет экспериментально определять μ - коэффициенты поглощения. Как следует из (6.6) для толщин поглощаемого слоя х₁ и х₂

. (6.7). Вычитая в (6.7) из второго уравнения уравнение один, получим

, (6.8)

откуда

. (6.9)

Таким образом, если построить по экспериментальным данным зависимость lnI от толщины поглощающего слоя, то угол наклона этого линейного графика будет численно равен коэффициенту поглощения - m.

Рис. 6.4. Блок схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка. На рис. 6.4 приведена блок схема установки для экспериментального определения коэффициентов поглощения веществом g-излучения.

Капсула с радиоактивным изотопом (1) помещена в свинцовый защитный контейнер (2) с узким коллимационным каналом. Канал перекрывается пластинами исследуемого вещества (свинец или алюминий) (3). Излучение прошедшее через пластины падает на дозиметр (4), позволяющий проводить измерения мощности полевой эквивалентной дозы (МЭД) g-излучение по цифровому табло.

Датчиком дозиметра служит счетчик Гейгера-Мюллера. Размеры датчика значительно превышают диаметр пучка гамма-излучения, поэтому дозиметр регистрирует как интенсивность первичного пучка гамма-излучения так и рассеянное гамма-излучение возникающее за счет эффекта Комптона. Оценка геометрического фактора установки показывает, что действительное значение коэффициента поглощения (m) превышает, найденное по формуле (6.9) или графику в 1,7 раза.

Дозиметр имеет два режима работы: ПОИСК и МЭД. Режим ПОИСК служит для грубой оценки радиационной обстановки по частоте следования звуковых импульсов. Режим МЭД служит для измерения и индикации мощности эквивалентной дозы на цифровом табло. Измерения МЭД осуществляется автоматически с интервалом времени около 40 с, а также после кратковременного нажатия на кнопку МЭД - КОНТР.ПИТАНИЯ. Во время измерения (40 секунд) на цифровом табло после каждого разряда (цифры) индицируются точки.

Исчезновение точек после 1, 2, 4 разрядов сигнализирует об окончании процесса измерения.

Расположение и назначение органов управления и индикации приведены на рис. 6.5. где:

1. Выключатель питания.

2. Крышка отсека батарейного питания.

3. Цифровое жидкокристаллическое табло.

4. Кнопка "МЭД-КОНТР. ПИТАНИЯ" для включения режима определения МЭД и контроля напряжения батареи питания.

5. Индикатор напряжения батареи питания.

6. Выключатель режима ПОИСК.

0.0.0.0.

Включение дозиметра производится переведением выключателя питания ((1) рис.6.5) в положение ПИТАНИЕ. При этом на цифровом табло должно индицироваться

Рис. 6.5. Расположение и назначение органов управления.

Выждав примерно 10 секунд кратковременно нажать кнопку (4) МЭД-КОНТ.ПИТАНИЯ. С этого момента начинается процесс измерения (40 с). Затем точки после 1,2,4 разрядов исчезнут, измерение МЭД закончится, показания дозиметра перестанут изменяться и на его табло будет сохраняться измеренное значение МЭД. Показания на табло дозиметра будут сохраняться в течение 40 секунд, после чего они автоматически обнуляются, появятся точки после каждой цифры и процесс измерения МЭД начнется заново. При переведении переключателя (6) в положение ПОИСК, включается звуковая сигнализация. Частота следования звуковых импульсов пропорциональна интенсив-ности гамма-излучения.

Порядок выполнения работы

1. Установить дозиметр "Белла" на подставку, включить ПИТАНИЕ, включить ПОИСК и включить режим определения МЭД.

2. Снять и занести в табл.2 три значения величины МЭД I₁(N), I₂(N), I₃(N) для каждого значения N - числа поглощающих пластин из одного материала. Провести измерения МЭД, меняя количество поглощающих пластин от 0 до 10.

3. Найти среднее значение 1(М) для каждой толщины поглощающего слоя и занести это значение в пятую колонку таблицы

4. Рассчитать натуральный логарифм числа I(N) и занести в 6 колонку таблицы.

5. Построить координатную плоскость (на миллиметровке) с осями In (N) и N и нанести на нее точки из 6-ой колонки таблицы.

Таблица 2.

Экспериментальные данные для свинца.

N	I₁(N)	I₂(N)	I₃(N)	(N)	In (N)
0 1 … 10

6. Методом парных точек найти среднее значение тангенса угла наклона прямой

lnI=m×х, (6.10)

где m - коэффициент поглощения g-излучения, х - толщина поглощающего слоя.

X=Nx₀. (6.11)

x₀ - толщина одной поглощающей пластины в см.

Метод парных точек заключается в том, что для вычисления m берут два значения х такие, что разница х₂ – х₁ все время остается постоянной.

Например, х₂-х₁=2x₀, тогда по уравнению (6.10) можно получить для 10 поглощающих пластин 9 значений m. Это будут m₀(N=0 и N=2), m_{1 3}(N=1 и N=3) и т.д. m_{8 10}(N=8 и N=10). Всего получится 9 значений m. По ним находится среднее значение и проводится прямая на графике. Далее ищется средняя квадратичная ошибка

. (6.12)

7. По найденному значению определить истинное значение коэффициента поглощения с учетом геометрического фактора.

8. По таблице 1 и рис. 6.3 для найденного значения коэффициента поглощения определяется энергия g-кванта и делается вывод о преобладающем механизме взаимодействия g-излучения с исследуемым веществом.

9. Провести измерения и расчеты m для поглотителей из свинца и алюминия.

10. Результаты измерений представить в стандартной форме:

х= ±Dх Р=0,95.