Лабораторна робота № 40

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ПОГЛИНАННЯ b - ВИПРОМІНЮВАННЯ
РЕЧОВИНОЮ

Мета роботи:

дослідити поглинання -випромінювання різними речовинами та визначити основні характеристики поглинання.

 

Перед виконанням роботи необхідно ознайомитись з такими питаннями курсу фізики.

1. Склад ядра. Радіоактивність, -розпад, -розпад, -випро-мінювання.

2. Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною та характеристики його поглинання в речовині.

3. Методи реєстрації іонізуючого випромінювання.

4. Принцип роботи лічильника Гейгера-Мюллера.

 

ЗАВДАННЯ

 

1. Дослідити залежність ослаблення потоку - частинок від товщини і матеріалу поглинаючого екрана.

2. Визначити лінійні коефіцієнти ослаблення, товщини шарів половинного ослаблення для різних матеріалів, а також граничну енергію - спектру.

 

ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП

 

В практичній діяльності людини важливе місце посідає захист живих організмів і різних приладів від іонізуючого випромінювання, яке супроводжує ядерні перетворення. Захист від випромінювань грунтується на законах їх взаємодії з середовищем.

До іонізуючих випромінювань відносяться потоки -частинок

 

і -частинок, нейтронів n, а також -проміння.

-частинки являють собою ядра гелію , це – важкі заряджені частинки. Вони утворюються при -розпаді, який полягає у спонтанному перетворенні ядра одного елемента (материнського) в ядро другого (дочірнього), що відрізняється від материнського зарядовим числом Z на 2 одиниці і масовим числом А на 4 одиниці:

.

До -частинок відносяться легкі заряджені частинки – елек-трони () та позитрони (). Вони випромінюються в процесі спонтанного перетворення ядра в ізобарне ядро, зарядове число якого відрізняється на . Важливо, що при цьому випромінюється ще одна елементарна частинка – електронне антинейтрино () або нейтрино ():

,

.

Це призводить до того, що кінетична енергія перерозподіляється

між -частинкою і нейтрино (або

антинейтрино) в будь-яких про-

порціях. Таким чином, -частин-

ки мають суцільний енергетичний

спектр від 0 до (рис.28).

-проміння являє собою потік

жорсткого електромагнітного ви-

промінювання (потік - квантів

Рис. 28 високої енергії). В процесі ядер- них перетворень дочірні ядра, як правило, виникають у збудже-ному стані. Перехід із збудженого стану ядра в основний відбу-вається з вивільненням енергії у вигляді потоку -квантів.

Потік нейтронів n – нейтральних частинок з масою близькою до маси протона – виникає, як правило, в процесі ядерних реак-

 

цій, коли утворюються нові ядра, перевантажені нейтронами.

Реєстрація іонізуючого випромінювання, а також захист від нього, здійснюється на основі взаємодії випромінювання з речовиною, в результаті якого частинки втрачають свою енергію.

При проходженні в речовині -частинки втрачають енергію в основному через іонізацію атомів середовища. Ці втрати є дуже значними в середовищах з більшою густиною і більшим Z атомів середовища. Пробіг -частинок у повітрі дорівнює всього

кілька сантиметрів, а в твердих речовинах – кілька десятків мікрон.

При проходженні -частинок крізь речовину мають місце два основних процеси, в результаті яких вони втрачають свою енергію:

1) іонізація і збудження атомів речовини;

2) емісія гальмівного випромінювання при сповільненні їхньо-го руху в полі ядра або електронів атома.

Основними процесами взаємодії -випромінювання з енер-гією до 10 МеВ з речовиною є такі:

1) фотоефект, в результаті якого -квантзникає, передаючи свою енергію фотоелектрону;

2) комптон-ефект, в результаті якого виникають розсіяний -квант меншої енергії та електрон віддачі;

3) ефект утворення пар, в результаті якого первинний -квант зникає, породжуючи пару електрон-позитрон.

Утворені в цих процесах заряджені частинки здійснюють подальшу іонізацію речовини.

Нейтрони, як і -кванти, при проходженні крізь речовину не здійснюють іонізацію атомів. Повільні нейтрони вступають у ядерну взаємодію з ядрами атомів речовини, внаслідок чого з’являються заряджені частинки, які в подальшому іонізують речовину. Швидкі нейтрони можуть пружно розсіюватись при зіткненнях з ядрами атомів середовища, при цьому виникають

 

 

ядра віддачі – важкі заряджені частинки, які й здійснюватимуть

іонізацію речовини.

Зупинимось детальніше на особливостях взаємодії -части-нок з речовиною. Взаємодіючи з речовиною, -частинки відхи-

ляються від свого початкового напрямку руху, тобто будуть

розсіюватися. Ослаблення потоку

-частинок при проходженні ша-

ру речовини (рис.29) можна уяв-

ляти так. Первісні швидкі -час-

тинки в речовині спочатку втрача-

ють невелику кількість енергії і від-

хиляються на малі кути. З поступо-

вим зменшенням енергії розсіяння

-частинок стає більш сильним і

набуває характеру багатократного,

Рис.29 потік -частинок стає дифузійним.

Зі збільшенням товщини шару речовини зменшується не тільки кількість -частинок, що пройшли крізь нього, але й їхня енергія. У достатньо товстих шарах речовини зменшення кількості -частинок відбувається як внаслідок їх розсіяння, так

і внаслідок повної втрати енергії. Гранична товщина шару речовини, що практично повністю затримує первісне -випро-мінювання, називається максимальним пробігом . Ця вели-чина зв’язана з максимальною енергією -частинок . Для значень енергії від 0,5 МеВ до 10,0 МеВ існує емпіричне співвідношення

(мм Al), (40-1)

де - енергія в МеВ.

Експериментальні дані вказують на те, що максимальний пробіг зменшується пропорційно густині середовища. Тоді, використовуючи формулу (40-1), на підставі значень в

 

різних середовищах можна оцінити максимальну енергію в

-спектрі за такими виразами:

(МеВ), (40-2)

(МеВ), (40-3)

(МеВ), (40-4)

де - максимальні пробіги -частинок у відповідних речови-

нах, виражені в мм;

- густина матеріалу відповідної речовини.

Часто для опису здатності - випромінювання проникати в речовину користуються величиною ефективного масового пробігу частинок

, (г/см ) (40-5)

де густина виражається в г/см , а пробіг - в см. Вели-чина R майже не залежить від роду речовини і тому є зручною для визначення граничної енергії -спектра.

Суцільний енергетичний спектр -частинок та їх розсію-вання при проходженні крізь речовину призводить до того, що ослаблення потоку -частинок має характер, близький до експоненціального закону

, (40-6)

де d – товщина поглинача, - лінійний коефіцієнт ослаблення речовини, - число -частинок, що падають на речовину, N – число -частинок, що пройшли крізь шар d поглинача.

Типова крива поглинання потоку -частинок, що мають суцільний енергетичний спектр, представлена в напівлогариф-мічному масштабі на рис.30. На ділянках малих і великих тов-

 

 

 

Рис.30

щин поглинача спостерігається помітне відхилення від експо-ненціального закону. Для визначення користуються мето-дом екстраполяції, проводячи пряму лінію, що збігається з пря-мою ділянкою графіка, до її перетину з віссю товщини d погли-нача.

При розрахунку захисту від іонізуючих випромінювань зруч-но користуватись поняттям шару половинного ослаблення , який необхідний для зменшення в два рази початкового потоку -частинок. З формули (40-6), прийнявши , отримаємо

. (40-7)

Шар половинного ослаблення залежить від максимальної енергії спектра -частинок і властивостей речовини. Значення ліній-ного коефіцієнта ослаблення отримують з експерименталь-ного графіка (рис.30) та на підставі закону (40-6) за формулою

, (40-8)

де точки 1 і 2 беруться на екстраполяційній прямій до графіка .

Характеристики , R, та є важливими параметрами,

 

які використовуються при вивченні - розпадів і створенні захисту від - випромінювання.

 

ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

 

Блок-схема лабораторної установки представлена на рис.31.

 

 

Рис.31

На схемі позначені такі елементи установки:

Лч – лічильник Гейгера-Мюллера;

S та S - слабкі джерела, що містять - активний ізотоп фосфору Р ;

ВУП-2 - блок живлення постійної напруги, що регулюється в межах 0 … 250 В;

Р - набір пластинок поглинача з різної речовини (алюміній, залізо, мідь);

R - резистор навантаження з дуже великим опором;

ПП – попередній підсилювач імпульсів напруги;

V - вольтметр для встановлення робочої напруги на лічиль- нику (до показань вольтметра треба додавати підпорну напругу 300 В від додаткового джерела);

ЧМ – частотомір ЧЗ-32 для підрахунку кількості імпульсів.

 

Лічильниками іонізуючого випромінювання називають при-лади, що застосовуються для реєстрації і підрахунку потоків ядерних частинок, для вимірювання інтенсивності рентгенів-ського і - випромінювання. Реєстрація іонізуючого випроміню-

вання можлива завдяки взаємодії їх з робочою речовиною лічильника.

Одним з приладів, що широко використовується для реєстра-ціїї іонізуючого випромінювання, є лічильник Гейгера-Мюллера. Він являє собою циліндричну тонкостінну металеву трубку, по осі якої натягнута металева нитка. Робочий об’єм лічильника наповнений повітрям (або іншими газами) до тиску ~100 мм рт. ст. За таких умов достатньо прикласти до лічильника напругу кілька сотень вольт, щоб у ньому міг виникнути самостійний газовий розряд. Чутливість лічильника до іонізуючого випромі-нювання є настільки високою, що поява хоча б однієї пари іонів у робочому об’ємі призведе до газового розряду, в результаті чого виникає імпульс напруги на навантаженні R.

Ефективність реєстрації лічильником Гейгера-Мюллера різ-них випромінювань визначається ймовірністю створення ними пари іонів в робочому об’ємі лічильника. Так, для -частинок вона є близькою до 100%, для -частинок – досягає 90%, для -випромінювання ~1…2%, для потоків нейтронів ~0,6%.