Краткие теоретические сведения.

Методические указания

К лабораторной работе № 408

 

 

Минск 2010

Лабораторная работа №408(А)

Защита от – излучения

Цель работы:

· изучить основные механизмы взаимодействия –излучения с веществом;

· исследовать ослабление потока –фотоновразличными материалами, определить энергию –фотонов;

· ознакомиться с основными методами защиты от фотонного излучения;

· решить задачу.

 

Указания по технике безопасности.

Включение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя или инженера лаборатории.

2. В лабораторной работе используется радиоактивный источник, помещенный в свинцовый контейнер. -излучение выходит только из маленького отверстия в основании контейнера. Запрещается заглядывать в это отверстие!!!

 

Контрольные вопросы:

1) Природа -излучения.

2) Свойства -излучения.

3) Механизм испускания -излучения.

4) Механизмы взаимодействия -излучения с веществом: фотоэффект, эффект Комптона, образование электронно-позитронных пар.

5) Существует ли понятие свободного пробега для –фотонов?

6) Закона ослабления плотности потока –фотоновв веществе.

7) Что такое толщина слоя половинного ослабления? Выведите формулу.

8) Какая существует связь между толщиной слоя половинного ослабления и линейным коэффициентом ослабления?

9) Методы защиты от фотонного излучения.

Краткие теоретические сведения.

–излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны менее, чем 10^-10 м. Источником –излучения являются возбужденные атомные ядра. Они образуются в различных ядерных реакциях, в том числе при радиоактивном распаде. В качестве примера можно привести электронный -распад Cs-137, сопровождаемый испусканием –излучения.

,

где «*» означает, что дочернее ядро образовалось в возбужденном состоянии, т.е. с избытком энергии, - электронное антинейтрино.

Возбужденное состояние ядра неустойчиво, и через маленький промежуток времени ядро переходит в состояние с меньшей энергией, испуская коротковолновое электромагнитное излучение - –излучение.

Этот процесс происходит без изменения массового и зарядового чисел (A и Z), поэтому испускание -излучения не рассматривают как отдельный тип радиоактивности. Процесс испускания -излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами.

Свойства -излучения:

1) –излучение имеет линейчатый спектр, причем каждый элемент дает свой строго определенный –спектр. Именно поэтому по спектру –излучения с помощью -спектрометров определяется какой именно радионуклид распадается.

2) –излучение обладает огромной проникающей способностью, для него не существует понятия длины свободного пробега. Длина свободного пробега –квантов в воздухе стремится к бесконечности (R ).

 

 

При прохождении через вещество –излучение ослабляется по экспоненциальному закону:

I=I₀e^-x (1)

N=N₀e^-х,

где I и N соответственно интенсивность (плотность потока энергии) и плотность потока фотонов после прохождения вещества толщиной x в направлении от источника к детектору; I₀ и N₀ – те же величины перед веществом; - линейный коэффициент ослабления вещества защиты, измеряемый обычно в см^-1.

Линейный коэффициент ослабления зависит от природы вещества и энергии –фотона. Значения коэффициентов обычно приводится в литературе в виде графиков или таблиц (табл. 2).

Эффективность вещества в качестве защиты от –излучения ,как правило, характеризуется толщиной слоя половинного ослабления. Слоем половинного ослабления называется такая толщина слоя вещества, при прохождении которой интенсивность –излучения уменьшается в 2 раза.

Используя выражение (1) и полагая, что I=I₀/2 при , находим связь между и :

(2)

Ослабление –излучения в области энергий от 0.01 до 10 МэВ (это область энергий наиболее часто применяемых источников) обусловлено тремя процессами: фотоэффектом, эффектом Комптона и рождением электронно-позитронных пар в поле ядра. Каждому из этих процессов соответствует свой линейный коэффициент ослабления, а полный коэффициент ослабления равен:

= _ф + _к + _п (3)

где _ф , _к , _п - линейные коэффициенты ослабления, обусловленные фотоэффектом, эффектом Комптона и образованием электронно-позитронных пар.

Помимо этих процессов –фотоны высоких энергий могут вызывать ряд других явлений: ядерный фотоэффект, деление ядер и другие.

Фотоэффект – процесс поглощения –фотона (или фотона другого вида электромагнитного излучения) атомом, при котором атомный электрон покидает пределы атома, т.е. происходит ионизация атома (рис. 1).

Вырванные электроны называются фотоэлектронами. Атом превращается в положительно заряженный ион. Наиболее интенсивно фотоэффект наблюдается для фотонов, энергии которых близки к энергиям связи электронов с ядром. Все электроны в атоме расположены в различных оболочках – K, L, M, N и т.д., каждой из которых соответствует определенная энергия связи. Наибольшую энергию связи в атоме имеют электроны самой внутренней К-оболочки. Для –излучения вклад К-оболочки в явление фотоэффекта является преобладающим (примерно 80%).

В результате фотоэффекта образуются ионы в возбужденном состоянии. Переход этих ионов в основное состояние приводит к испусканию характеристических рентгеновских фотонов.

Фотоэффект наблюдается для –фотонов с энергиями от 10 эВ до 1МэВ. С увеличением энергии –фотонов, когда Естановится значительно больше энергии связи электронов в атоме, основным механизмом ослабления интенсивности –излучения становится эффект Комптона.

Эффект Комптона – рассеяние –фотонов электронами вещества. Проходя через вещество, –фотоны могут столкнуться со свободными или слабо связанными электронами, т.е. с электронами, находящимися на внешних оболочках атома, - валентными электронами. Фотон в результате упругого соударения с электроном передает последнему часть своей энергии, энергия –фотона уменьшается (следовательно уменьшается частота –излучения). При этом –фотон отклоняется от своего первоначального направления распространения, т.е. происходит рассеяние –фотонов.

 

 

В отличие от фотоэффекта при эффекте Комптона –фотоны не поглощаются веществом, а лишь изменяют свою энергию и направление распространения.

Образование электронно-позитронных пар. При дальнейшем увеличении энергии –фотонов, когда она начинает превосходить суммарную энергию покоя электрона и позитрона (Е>2m_ec² =1,02 МэВ) становится возможным процесс превращения –фотона в электрическом поле ядра в две частицы: электрон и позитрон. При этом –фотон исчезает.

Схема образования электронно-позитронной пары в электрическом поле ядра X имеет вид:

 

 

Образование электронно-позитронных пар может происходить только при участии «третьего тела-частицы». Это вытекает из законов сохранения импульса и энергии. Такой частицей может быть атомное ядро, электрон или фотон. Для образования электронно-позитронной пары в поле атомного ядра энергия –фотона должна быть больше 2m_ec^2. Для образования пары в поле электрона Е>4m_ec² . Рождение пары в присутствии фотона требует еще больших энергий. Поэтому образование электронно-позитронной пары в поле атомного ядра является наиболее вероятным процессом.

Таким образом при малых энергиях -излучения определяющую роль играет фотоэффект, затем с увеличением энергии – эффект Комптона, затем образование электронно-позитронных пар в поле атомного ядра, что иллюстрируется рисунком 4.

Рис.4.Зависимость коэффициентов линейного ослабления _i от энергии -фотонов для свинца: 1 – вклад фотоэффекта; 2 – вклад Комптон-эффекта; 3 – вклад образования электронно-позитронных пар; 4 – суммарное ослабление

При фотоэффекте и образовании электронно-позитронных пар –фотоны поглощаются, а при эффекте Комптона –фотоны рассеиваются и энергия их уменьшается.

Защита от фотонного излучения (- и рентгеновского излучения). Различают следующие основные методы защиты от воздействия фотонного излучения:

· уменьшение продолжительности работы на территориях, где имеются источники фотонного излучения,

· увеличение расстояния от персонала до источника,

· уменьшение до минимально возможной активности используемого источника,

· сооружение защитных экранов из поглощающих материалов между источником и местом размещения персонала.

Для краткости эти возможные методы защиты называют защита временем, расстоянием, количеством и экранировкой.

Расчет защиты от фотонного излучения представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Необходимо учитывать много различных факторов: активность, геометрическую форму и размеры источника излучения, спектральный состав излучения, геометрическую форму и размеры защитных сооружений, свойства материалов и т.д. Все это является предметом радиационной защиты.

Сущность метода защиты экранировкой рассмотрим на примере прохождения узкого пучка фотонов через слой вещества толщиной x . Из-за поглощения и рассеяния фотонов веществом интенсивность излучения убывает по экспоненте (см. формулу 1). Поскольку доза облучения прямо пропорциональна интенсивности, то ослабление дозы подчиняется тому же закону:

,

где Н₀ – эквивалентная доза без защитного экрана, Н – эквивалентная доза излучения, прошедшего защитный экран толщиной х, – линейный коэффициент ослабления материала экрана.

На практике при рассмотрении прохождения фотонного излучения через защитный экран создается широкий пучок излучения, что значительно усложняет расчеты.