РАДИАЦИОННАЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВСЕХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
Минск 2015
УДК 539.16(076.5)
ББК 31.42я7
Ч-49
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
безопасности жизнедеятельности Белорусского государственного аграрного технического университета Л. В. Мисун;
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии
неорганических веществ и общей химической
технологии БГТУ А. Ф. Минаковский
Чернушевич, Г.А.
Ч-49 Радиационная безопасность. Лабораторный практикум для студентов всех специальностей / Г. А. Чернушевич, В. В. Перетрухин. – Минск: БГТУ, 2015. – 158 с.
ISBN 978-985-434-752-3
Лабораторный практикум разработан в соответствии с программой дисциплины «Защита населения и объектов от чрезвычайных ситуаций. Радиационная безопасность». В практикуме рассмотрены основные теоретические положения радиационной безопасности, приведены описания приборов и экспериментальных установок для выполнения лабораторных работ, а также методики проведения измерений, обработки результатов, контрольные вопросы.
УДК 539.16(076.5)
ББК 31.42я7
| Ó УО «Белорусский государственный технологический университет», 2015 | |
| ISBN 978-985-434-752-3 | Ó Г. А. Чернушевич, В. В. Перетрухин |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемый практикум является результатом обобщения более чем 20-летнего опыта преподавания рассматриваемого курса в Белорусском государственном технологическом университете.
Лабораторный практикум является 3-м дополненным и переработанным изданием и предназначена для студентов высших технических учебных заведений, изучающих курс «Защита населения и объектов от чрезвычайных ситуаций. Радиационная безопасность».
В процессе выполнения лабораторных работ студенты должны:
– изучить основные закономерности радиоактивного распада, методы регистрации ядерных излучений, механизм взаимодействия альфа-, бета- и гамма-излучений с веществом;
– приобрести практические навыки работы с радиометрической и дозиметрической аппаратурой;
– освоить методики радиометрического контроля сырья, строительных материалов, готовой продукции, продуктов питания и т. д.
В практикум включено 15 лабораторных работ, в которых рассмотрены вопросы статистики ионизирующих излучений и изучения методов их регистрации; физической природы ионизирующих излучений (взаимодействие альфа-, бета- и гамма-излучений с веществом); дозиметрии ионизирующих излучений. А также определения объемной (удельной) активности содержания радионуклидов цезия-137, цезия-134, стронция-90, йода-131, калия-40 в различных пробах, определение средней длины пробега альфа-частиц в воздухе, определение энергии бета-частиц методом поглощения и оценки радиационной обстановки на объекте экономики.
Каждая лабораторная работа включает три подраздела и контрольные вопросы.
В первом подразделе «Основные теоретические положения» излагается теоретический материал по теме лабораторной работы.
Во втором подразделе «Оборудование и принадлежности» дается описание радиометрического или дозиметрического прибора, с использованием которого проводятся лабораторные измерения. Это гамма-радиометры РУГ-91, РУГ-91М, РКГ-02А/1, РКГ-АТ1320А, бета-радиометр РУБ-91 «АДАНИ», радиометр-дозиметр МКС-АТ1117М, МКС АТ 6130, бытовые дозиметры РКСБ-104, АНРИ-01-02 «Сосна» и др.
В третьем подразделе «Порядок выполнения работы и обработка результатов» приводится методика выполнения лабораторной работы, порядок ее оформления.
Выполненная лабораторная работа должна быть представлена в виде отчета. Отчет о работе включает в себя: название; цель работы; краткое описание теории вопроса; используемые приборы и оборудование; результаты исследования в виде таблиц, графиков и расчетов; выводы и предложения.
Для допуска к проведению исследования и для защиты отчета студент должен ответить на контрольные вопросы, перечень которых дается в конце каждой лабораторной работы.
В практикуме использованы некоторые фрагменты лабораторных работ и справочных материалов учебного пособия В. А. Савастенко «Практикум по ядерной физике и радиационной безопасности».
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1
ВЫБОР ВРЕМЕНИ СЧЕТА
ПРИ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Цель работы: освоение методики статистической обработки результатов радиометрических измерений; выбор оптимального времени измерения скорости счета импульсов от источника излучения при наличии радиационного фона.
Основные теоретические положения
Распад радиоактивных ядер имеет статистический характер и описывается распределением Пуассона, предельным случаем которого, при достаточно большом числе измерений, является нормальное распределение – распределение Гаусса. Поэтому оценивать стабильность работы счетной аппаратуры (прибора), регистрирующей ионизирующие излучения, можно путем сравнения распределения зарегистрированного числа импульсов с распределением Гаусса.
Мерой отклонения распределения зарегистрированных радиометром числа импульсов от распределения Гаусса, т. е. показателем стабильности работы прибора является критерий X 2, вычисляемый по формуле
, (1.1)
где ki – число импульсов, зарегистрированных при i -м измерении за время t; 
– среднее число импульсов, зарегистрированных за время t; n – число измерений.
Так как при измерении интенсивности ионизирующего излучения и его дозиметрии существуют случайные ошибки, обусловленные наряду со статическим характером ядерных процессов целым рядом случайных внешних воздействий на измеряемую величину, то и число импульсов, регистрируемых счетчиком от источника излучения, является случайной величиной.
Из теории ошибок следует, что истинное значение Х ист некоторой случайной величины Х, распределенной по закону р (х), с вероятностью
(1.2)
находится в интервале 
,
где 
– среднее значение величины Х; 
– полуширина доверительного интервала.
Интервал называют доверительным, вероятность Р попадания в этот интервал истинного значения Х ист измеряемой величины – доверительной вероятностью.
Полуширина доверительного интервала
(1.3)
где a n , P – коэффициент Стьюдента, зависящий от заданной доверительной вероятности P и числа измерений n (значения a n , P приведены в табл. 1.1); 
– средняя квадратичная ошибка,
(1.4)
Таблица 1.1
Коэффициенты Стьюдента a n , P
| n | a n ,0,500 | a n ,0,683 | a n ,0,900 | a n ,0,950 | a n ,0,980 | a n ,0,990 |
| 1,00 | 1,80 | 6,31 | 12,71 | 31,80 | 63,70 | |
| 0,82 | 1,32 | 2,92 | 4,30 | 6,96 | 9,42 | |
| 0,77 | 1,20 | 2,35 | 3,18 | 4,54 | 5,84 | |
| 0,74 | 1,15 | 2,13 | 2,78 | 3,75 | 4,60 | |
| 0,74 | 1,11 | 2,02 | 2,57 | 3,36 | 4,03 | |
| 0,72 | 1,09 | 1,94 | 2,46 | 3,14 | 3,71 | |
| 0,71 | 1,08 | 1,90 | 2,36 | 3,00 | 3,50 | |
| 0,71 | 1,07 | 1,86 | 2,31 | 2,90 | 3,36 | |
| 0,70 | 1,06 | 1,83 | 2,26 | 2,82 | 3,25 | |
| ¥ | 0,67 | 1,00 | 1,65 | 1,96 | 2,30 | 2,59 |
Для доверительной вероятности Р = 68% уже при n » 7 полуширина доверительного интервала 
. Чем больше n, тем точнее это равенство. Отношение полуширины доверительного интервала к среднему значению измеряемой величины называют относительной ошибкой 
этой величины. Ее выражают в относительных единицах:
(1.5)
или в процентах:
. (1.5а)
При 
относительную ошибку 
называют стандартной или средней квадратичной.
Если измеряемая величина Y является функцией нескольких случайных переменных X 1, X 2,..., Xn, не зависимых друг от друга, т. е.
Y = f (X 1, X 2,..., Xn), то средняя квадратичная ошибка
. (1.6)
Из формулы (1.6) следует, что для суммы или разности двух измеряемых величин Х 1 и Х 2 средняя квадратичная ошибка
(1.7)
Относительная стандартная ошибка в этом случае
(1.8)
При различных радиометрических и дозиметрических измерениях часто экспериментально определяют скорость счета импульсов, возникающих в ионизационных, сцинтилляционных и других детекторах излучения под воздействием регистрируемых ими частиц. Скорость счета импульсов
, (1.9)
где N – число импульсов, зарегистрированных счетчиком за время t.
Воспользовавшись формулами (1.6) и (1.9), а также учитывая, что 
, получим выражение для средней квадратичной ошибки при определении скорости счета импульсов:
. (1.10)
Согласно (1.5) относительную ошибку 
для доверительной вероятности Р = 0,68 (стандартную ошибку) можно найти по формуле
и в процентах 
. (1.11)
Вычислив стандартную ошибку , легко определить доверительный интервал 
и относительную ошибку 
для любой заданной доверительной вероятности Р результата путем умножения 
и на соответствующий коэффициент Стьюдента: 
; 
.
Скорость счета импульсов от радиоактивного источника обычно приходится измерять при наличии радиоактивного фона. В таких случаях скорость счета импульсов от источника излучения находят как разность:
, (1.12)
где 
– скорость счета от источника излучения вместе с фоном; 
– скорость счета импульсов от фона.
В соответствии с формулами (1.7–1.11) при наличии радиационного фона стандартная ошибка определения скорости счета импульсов от источника излучения
, (1.13)
а относительная
. (1.14)
Чем больше время измерения, тем больше число зарегистрированных частиц и, следовательно, меньше относительная ошибка определения скорости счета. Но очевидно – время измерения, не может быть безграничным. К тому же увеличение длительности эксперимента снижает производительность работы, что особенно важно при проведении массовых исследований. Кроме того, при продолжительном пребывании регистрирующей аппаратуры под напряжением, как правило, снижается стабильность ее показаний, и эффект снижения ошибки измерения за счет растягивания эксперимента во времени может быть сведен на нет этим фактором.
Ошибка определения скорости 
счета импульсов от радиоактивного источника при наличии радиационного фона зависит не только от времени t измерения, но и от соотношения между временем, затраченным на измерение фона, и временем измерения скорости счета импульсов от источника излучения вместе с фоном. Если общее время измерения 
фиксированное, то, как следует из теории, ошибка измерения скорости счета 
от источника излучения будет минимальной, когда
, (1.15)
где tS – оптимальное время измерения 
; tф – оптимальное время измерения .
При заданной стандартной относительной ошибке измерения оптимальные значения tф и tå можно найти по формулам:
; (1.16)
. (1.17)
Для практического выбора оптимального минимального времени измерения скорости счета импульсов от источника излучения необходимо провести измерение числа 
фоновых импульсов и числа 
импульсов от источника вместе с фоном в течение t = 100–200 с и определить приближенные значения скоростей счета 
и 
. Затем задав требуемое значение 
, определить соответствующие им минимальные оптимальные величины tф и tå по формулам (1.16) и (1.17). Если скорость счета импульсов от источника излучения значительно больше фоновой скорости счета, последней можно пренебречь.
Соотношение между и , при котором скорость счета от фона можно не учитывать, зависит от требуемой точности результата. Так, при измерении с относительной ошибкой = 10% фоновой скоростью счета можно пренебречь, если отношение 
; при = 3% можно пренебречь, если 
. Оптимальное время измерения скорости счета импульсов 
от исследуемого источника можно также выбирать с помощью таблицы Белла (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Таблица Белла
| = 1%
| = 2%
| = 3%
| = 4%
| = 5%
| ||||||
| N ф | N å | N ф | N å | N ф | N å | N ф | N å | N ф | N å | ||
| 1,3 | |||||||||||
| 1,5 | |||||||||||
| 1,7 | |||||||||||
| 2,0 | |||||||||||
| 3,0 | |||||||||||
| 5,0 | |||||||||||
| 10,0 | |||||||||||
| 20,0 | 1,5 | ||||||||||
| 50,5 | 1,3 | 0,34 | |||||||||
| 100,0 | – | 0,4 | – | ||||||||
| ¥ | – | – | – | – | – | ||||||
В столбцах этой таблицы указаны N ф – число фоновых импульсов и N å – число импульсов от источника излучения вместе с фоном с относительной ошибкой измерения, скорости счета импульсов от источника. Время, необходимое для измерения указанного в таблице Белла числа импульсов N ф и N å, и представляет собой оптимальное время измерения. Горизонтальные линии в графах таблицы ограничивают значения N ф и N å, при которых скоростью счета импульсов от фона можно пренебречь и считать, что » .
Коэффициент K в таблице Белла представляет собой отношение приближенных значений и , измеренных за равные короткие промежутки времени t = 100–200 с.