Выполнение работы начинают с проверки верности счёта пересчётного прибора. Убедившись в исправности работы пересчётного устройства, измеряют величину фона.
Ослабление b-излучения осуществляется поглотителями из алюминия. Получив от преподавателя набор пластинок, необходимо произвести дополнительную проверку величины фона в присутствии поглощающих фильтров с тем, чтобы учесть возможное увеличение фона за счёт радиоактивного загрязнения самих поглотителей. Для этого необходимо проверить значение фона в присутствии каждого фильтра отдельно, поместив его в то положение, в котором он будет находиться при измерении коэффициента поглощения b -излучения.
Радионуклид, максимальную энергию b-излучения которого необходимо определить, выдаётся преподавателем. Под счётчик помещают источник, над ним помещают специальную алюминиевую или медную диафрагму с отверстием так, чтобы окно в диафрагме находилось строго по оси счётчика. С помощью такой диафрагмы формируется узкий параллельный пучок b-излучения.
Расстояние между диафрагмой и счётчиком должно быть по возможности минимальным, но в то же время достаточным для того, чтобы можно было свободно поместить поглотитель из Al, для которого определяется коэффициент поглощения излучения.
Закончив подготовку установки к работе, сделав проверку работы пересчётного устройства и измерив фон, определяют число импульсов от препарата без поглотителя. Затем между детектором и препаратом помещают пластинки, последовательно наращивая их общую толщину, и каждый раз измеряют скорость счёта, обусловленную прошедшим b-излучением.
Полученные результаты измерений заносят в табл. 2.2, исправляя их на фон и мёртвое время счётчика.
|
|
Таблица 2.2
| N n/n | Толщина фильтра, Х,см | Время измер., t, мин | Число сосчитанных имп., N | Скорость счета, I, имп/ мин | Скорость счета без фона, I-Iф, имп/ мин | Скорость счета b-излучения, Ib=I-Iф-Ig, имп/мин |
| In Ib | In 
| m  см-1
| mm=  см2/г
|
Измерение каждой точки необходимо произвести в течение времени, которое обеспечит заданную точность. Первое измерение производится в течение одной минуты, по мере уменьшения числа сосчитанных импульсов за счёт частичного поглощения b-излучения фильтрами продолжительность измерения увеличивается с таким расчётом, чтобы насчитывать 800-1000 импульсов за время измерения.
Всего необходимо снять 10-15 точек. Измерения заканчиваются, когда число сосчитанных импульсов начинает колебаться около некоторого постоянного значения, которое обусловлено фоном, возникающим вследствие наличия g -излучения или тормозного рентгеновского излучения.
На основании полученных данных строится график зависимости числа сосчитанных импульсов от толщины поглотителя (рис.2.1). Построенный график позволяет определить число импульсов, приходящихся на долю g-излучения или тормозного излучения. Определив эту долю излучения, находят число импульсов, приходящихся на долю b-излучения. Данные из табл. 2.2 используют для нахождения m, mm, 
и Rmax.
|
Для определения линейного коэффициента поглощения необходимо построить график зависимости ln (Ib0/Ib) от толщины фильтра, (см), и по графику (рис.2.4) определить коэффициент поглощения m (см-1). Аналогично можно определить 
, если толщину фильтра измерять в г/см2.
|
|
Найденные значения m можно использовать для нахождения 
, а далее для определения максимальной энергии b -спектра по известным эмпирическим соотношениям, например (2.4).
По полученным кривым ослабления b- излучения (рис.2.2) определяют максимальный пробег b-частиц в поглоти-
Рис.2.4. Ослабление b -излучения
теле, а затем по одной из формул (2.3) находят максимальную энергию b-частиц.
Если препарат содержит 2 или более радионуклидов, то строят график в координатах lnI ¸ X, мг/см2, затем расшифровывают кривую ослабления.
По аналогичной схеме определите экспериментальные величины m, mm, и Rmax для других материалов, указанных преподавателем. Постройте и проанализируйте зависимость от Z0 этих величин, имеющих различную размерность.
Узнайте у преподавателя, для какого радионуклида определялась максимальная энергия b-спектра. Взяв из справочника значение максимальной энергии, определите ошибку эксперимента.
Закончив работу, необходимо выключить установку, сдать преподавателю b - источник и поглотительные фильтры.
Содержание отчета
Отчёт по работе должен содержать таблицы с результатами измерений, графики, величины максимальных энергий b-спектра, найденных по слоям половинного ослабления и максимальным пробегам, расчёт ошибок, анализ результатов и выводы по работе.
Лабораторная работа №3
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ
Цель работы. Изучение искусственной радиоактивности изотопов серебра, возникающей при облучении естественной смеси изотопов серебра 
и 
тепловыми нейтронами; определение периода полураспада изотопов серебра по кривым активации и радиоактивного распада.
|
|
Введение. При прохождении нейтронов через вещество могут иметь место два вида взаимодействия их с ядрами поглощающей среды. В результате соударений нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах (первый вид). При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся частиц. Происходят ядерные реакции типа (n, a), (n, p), (n, g), (n, 2n) и т.д., и наблюдается деление ядер (первой в скобках записывается бомбардирующая частица - нейтрон, второй - испускаемая частица или g - квант).
Вероятность протекания той или иной реакции определяется сечением соответствующей реакции.
Ядерная реакция типа (n, g) называется радиационным захватом. При этой реакции образуется возбуждённое составное ядро. Энергия возбуждения при переходе ядра в основное состояние излучается в виде g - квантов. При значительной энергии возбуждения составное ядро может испускать заряженные частицы или два нейтрона. Составные тяжёлые ядра испытывают процесс деления.
Реакция радиационного захвата нейтрона может быть представлена в общем виде
,
где 
-исходное ядро, 
и 
- ядро - продукт соответственно в возбуждённом и основном состояниях. Ядра 
могут быть радиоактивными.
Активация Активацией называется процесс получения радиоактивного вещества при обстреле стабильных ядер нейтронами, протонами и другими видами излучений. Количество активированных ядер зависит от количества атомов в мишени, времени облучения и эффективного сечения данной ядерной реакции.
Если слой вещества, содержащий N0 ядер на 1 см2, пересекает jn нейтронов, то число актов взаимодействия, вызванных ими, определяется формулой активации:
N = jn * N0 * s, (3.1)
где s - эффективное сечение захвата нейтрона с образованием радиоактивного ядра.
Чтобы найти число активных ядер N в момент времени t, необходимо учесть, что часть образовавшихся ядер за время t распадается. За время dt образуется jn ×N0 × s × dt ядер, а распадается l ×N× dt, где l - постоянная распада для образующегося радионуклида.
Изменение числа активных ядер за время dt будет равно
,
а скорость распада образующихся ядер определяется соотношением
(3.2)
В некоторый момент времени после начала облучения рост числа активных ядер прекратится. Это произойдёт тогда, когда число образующихся активных ядер окажется равным числу распадающихся или когда число активных ядер возрастёт до насыщения:
Nнас = jn × N0 ×s × t, (3.3)
где t = 1 / l - средняя продолжительность жизни радиоактивного ядра.
Величина Nнас называется активацией насыщения. Она соответствует числу активных ядер, образующихся за время облучения, равное среднему времени жизни t данного радионуклида.
Интегрируя выражение (3.2), получим зависимость активации от времени облучения:
N = Nнас × (1 - e -lt). (3.4)
Можно показать, что практически насыщение достигается за время облучения, соответствующее 4 - 5 периодам полураспада образующегося радионуклида.
При малых временах облучения, когда t << t, распадом можно пренебречь. Тогда, отбрасывая второй член в правой части (3.2) или разлагая (3.4) в ряд по t, получим N = jn × N0 × s × t. Таким образом, в первые моменты облучения число активных ядер нарастает линейно со временем. График зависимости накопления радиоактивных ядер показан на рис.3.1.
Рассмотрим ядерно-физические процессы, имеющие место при облучении серебра. При облучении серебра тепловыми нейтронами имеют место следующие ядерные реакции радиационного захвата:
+ 
à 
+ g,
+ à 
+ g.
В результате образуются радионуклиды 
с периодом полураспада Т1/2=2,4 мин и с периодом полураспада Т1/2 = 24,2 с. Испуская электроны и антинейтрино, они превращаются в стабильные изотопы 
и 
:
à 
+ e, 
;
à 
+ e, .
Непосредственно в опыте с точностью до постоянного множителя измеряется b - активность изотопов 
и 
, которая связана с числом распадающихся частиц в единицу времени атомов серебра соотношением
.
Рис. 3.1. Кривая активации N= Nнас (1- е-lt), 
- период
полураспада
|
Кривая распада изотопов серебра представляет сумму двух экспоненциальных функций:
,
где J01 и J02 - интенсивность обоих изотопов в начальный момент времени (t=0).
Построение этой кривой в полулогарифмическом масштабе (рис.3.2) позволяет представить её двумя прямыми линиями, представляющими изменение во времени активности изотопов (Т1/2 = 2,4 мин) и (Т1/2 = 24,2 с).
Тангенсы углов j1 и j2 наклона этих прямых равны соответственно постоянным распада l1 и l2, т.е. tg j1 = l1, tg j1 = l2.
|
Рис. 3.2. Изменение во времени активности источника, содержа щего два взаимно несвязанных радионуклида
Порядок выполнения работы
В данной работе для активации изотопов серебра используется плутоний - бериллиевый источник нейтронов.
Для замедления нейтронов до тепловых скоростей источник помещают в парафиновый блок. Серебряные пластинки размером 50 х 25 х1 мм вставляют в специальные пазы в парафиновом блоке, расположенные на расстоянии нескольких сантиметров от источника нейтронов. Положение серебряных пластинок, таким образом, строго фиксировано относительно источника нейтронов.
Наведенная b - активность измеряется при помощи пропорционального счётчика на установке с малым фоном (УМФ-1500). Установка позволяет жёстко фиксировать положение пластинки относительно входного окна счётчика.
Облучение пластинки производится лаборантом или преподавателем.
1. Снятие кривой распада изотопа 
и определение его периода полураспада
Чтобы измерить кривую распада долгоживущего изотопа 
в наиболее благоприятных условиях, необходимо облучать пластинки серебра до насыщения, т.е. когда их активность станет максимальной.
Измерение активности нужно начать после истечения некоторого времени t, необходимого для распада короткоживущего изотопа 
. Выбрав соответствующее время измерения Dt, снимается кривая распада. Строится кривая распада в полулогарифмическом масштабе и по ней определяется константа распада (l), а затем по l - период полураспада изотопа 
.
2. Снятие кривой распада изотопа 
и определение его периода полураспада
Чтобы иметь наиболее благоприятные условия для снятия кривой распада короткоживущего изотопа 
, необходимо облучать пластинку серебра в течение такого времени t, которое давало бы насыщение активации короткоживущего изотопа, но при этом активация долгоживущего изотопа была по возможности небольшой. Выбирая соответствующее время Dt для измерения одной точки кривой, снимается кривая распада, которая представляет собой сумму кривых распада короткоживущего и долгоживущего изотопов. Измерения нужно проводить достаточно долго, чтобы на кривой, построенной в полулогарифмическом масштабе, выделился период полураспада долгоживущего изотопа.
Определение периодов полураспада обоих изотопов производится следующим образом. Вначале экстраполируют до начала координат (t = 0) прямую, соответствующую изменению активности долгоживущего изотопа. Затем вычитают (после потенцирования) из суммарной измеренной активности активность долгоживущего изотопа. Получив таким образом значение активности короткоживущего изотопа в различные моменты времени, строят кривую распада короткоживущего изотопа в полулогарифмическом масштабе. По этой кривой определяют его постоянную распада и период полураспада.
При обработке экспериментальных данных необходимо учесть фон и определить экспериментальные ошибки величин J0, J, t. Затем следует определить ошибку функций l (J0, J, t) и Т1/2 (J0, J, t).
3.Снятие кривой активации
Кривую активации необходимо снимать так, чтобы было исключено влияние активности короткоживущего изотопа 
. Это значит, что интервал времени после окончания облучения до начала измерений должен быть достаточным для распада большинства короткоживущих ядер.
Измерения следует проводить для нескольких моментов времени начиная с минуты и кончая временем, обеспечивающим условия насыщения. По окончании измерений необходимо построить кривую активации 
и график зависимости 
, где Jн - активность насыщения. По графику необходимо определить период полураспада 
.
Примечание. Для того чтобы при снятии кривой активации не сказалась остаточная активность, пластинку серебра перед облучением нужно выдержать не менее 20 мин.
Перед выполнением измерений студент составляет план работы, который должен предусматривать продолжительность облучения, время выдержки после облучения и время, необходимое для снятия всей кривой распада. План работы утверждает преподаватель, ведущий занятия.
Содержание отчета
Отчёт должен включать цель и основное содержание работы, описание блок-схемы измерительной установки. Результаты измерений должны быть представлены в виде таблиц и графиков с указанием погрешностей измерений. Отчёт должен содержать анализ экспериментальных результатов, сопоставление их со справочными данными и выводы по работе.