МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Зав. каф. 12 ФТФ
проф., д-р физ. мат. наук
_____________А.П.Потылицын
_____________2010 г.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
Определение коэффициентов ослабления гамма- излучения различными материалами
Лабораторный практикум по курсам "Математическая обработка результатов экспериментов" и "Метрология радиационного эксперимента" для студентов, обучающихся по дневной форме по направлению 140300 "Ядерные физика и технологии", специальности 140302 "Физика атомного ядра и частиц" и специальности 140307 "Радиационная безопасность человека и окружающей среды".
Составители: доцент Каратаев В.Д.
асс. Рогова Н.С.
Томск 2010
Цель работы: С помощью поглотителей из меди и свинца снять кривую ослабления ионизирующего излучения от радиоактивного источника и используя метод наименьших квадратов, подобрать к ней эмпирическую зависимость.
Введение
Взаимодействие излучения с веществом
При прохождении через среду излучение от радиоактивного источника производит ее ионизацию и возбуждение. Различают: 1)непосредственно ионизирующее излучение (заряженные частицы) и 2)косвенно ионизирующее излучение (фотонное излучение, нейтроны). В принципе гамма - кванты способны непосредственно вызывать ионизацию. Однако их относят к косвенно ионизирующему излучению, так как число актов прямой ионизации незначительно по сравнению с числом актов ионизации, вызванных вторичными электронами.
1)Заряженные частицы - альфа и бета-излучение радиоактивного распада, а также ускоренные электроны и положительно заряженные ионы теряют свою энергию в среде за счет электромагнитного взаимодействия с электронными оболочками молекул (основной механизм), приводящего к их ионизации и возбуждению, а также в результате взаимодействия с кулоновским полем ядер и электронов, при котором инициируется тормозное рентгеновское излучение. Соответственно, потери энергии по этим каналам называются ионизационными и радиационными.
Для нерелятивистских тяжелых заряженных частиц средние ионизационные потери энергии на единице длины пути описываются формулой Бете:
(1)
где: Е - начальная кинетическая энергия частицы,
х - координата в направлении движения частицы;
z и е - заряд частицы и электрона, соответственно,
m - масса покоя электрона,
Vo - начальная скорость частицы,
Z - атомный номер среды,
А - атомная масса среды,
- плотность среды,
No - число Авогадро,
I - средний потенциал возбуждения (геометрическое среднее всех потенциалов возбуждения и ионизации молекул среды).
Анализ формулы Бете позволяет сделать два важных вывода:
1)параметр ( - dE/dx )ion резко возрастает с уменьшением скорости частицы,
2) при одинаковой энергии электронов и тяжелых заряженных частиц параметр (-dE/dx)ion для электронов во много раз меньше, чем для тяжелых частиц, а глубина проникновения в вещество, соответственно, значительно больше.
Потери энергии тяжелых заряженных частиц на тормозное излучение (радиационные потери) малы по сравнению с ионизационными потерями. В случае электронов отношение радиационных потерь к ионизационным составляет:
(2)
где: Е - начальная энергия электронов, МэВ;
Z - атомный номер среды.
Полные потери энергии на единице пути заряженной частицы равны
сумме ионизационных и радиационных потерь:
(3)
2)Фотонное излучение (гамма - кванты и рентгеновское излучение) взаимодействует со средой по нескольким механизмам, определяемым как энергией фотонов, так и характеристиками среды. Для излучения, сопровождающего деление ядер урана в атомных реакторах (диапазон энергий - от нескольких кэВ до нескольких МэВ), главными процессами являются фотоэффект, комптоновское (некогерентное) рассеяние и образование электрон-позитронных пар. Именно в этих процессах генерируются электроны, ионизирующие и возбуждающие молекулы среды.
Ослабление фотонного излучения при прохождении через вещество:
(4)
где f и fo, м-2. с-1, соответственно, начальная плотность потока излучения и плотность потока излучения после прохождения слоя вещества толщиной х ,
осл - линейный коэффициент ослабления, м-1.
Последний представляет собой сумму линейных коэффициентов поглощения и рассеяния:
осл = погл + расс (5)
Ослабляющее действие принято также характеризовать слоем половинного ослабления, т.е. толщиной материала, проходя через который фотонное излучение уменьшается в два раза. Слой половинного поглощения для гамма - квантов для нескольких материалов приведен в таблице 1.
Таблица 1.
Материал поглотителя |
Толщина материала, см |
Свинец |
1,8 |
Грунт, кирпич |
14 |
Сталь |
2,8 |
Вода |
23 |
Бетон |
10 |
Дерево |
30 |
Чем выше плотность материала поглотителя, тем больше кратность ослабления ионизирующего излучения.
Нахождение эмпирических зависимостей методом наименьших квадратов