Учреждение высшего образования «Международный государственный экологический институт имени А.Д.Сахарова» БГУ
Кафедра ядерной и радиационной безопасности
«Измерение характеристик ионизирующего излучения»
Лабораторный практикум
Экспериментальное определение оптимальной толщины пробы бета-спектрометра
Лабораторная работа №7
Минск 2017
Цель работы: экспериментальное определение оптимальной толщины пробы бета-спектрометра
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При измерении активности источников бета-излучения имеющих толщину активного слоя отличную от ноля, возможно возникновение погрешности связанной с поглощение бе-та-излучения внутри активного слоя (самопоглощения). Величина этого эффекта определяет-ся взаимодействием бета-излучения с веществом. Прохождение электронов и позитронов че-рез вещество качественно отличается от прохождения тяжелых заряженных частиц. Из-за малости массы для налетающего электрона (позитрона) относительно велико изменение им-пульса при каждом столкновении в веществе. Это приводит к тому, что электрон, во-первых, может значительно отклоняться от первоначального направления движения и, во-вторых, может порождать кванты тормозного рентгеновского излучения. В области типичных для бета-распада энергий электронов (0,02…12 МэВ) определяющий вклад в потери энергии да-ют неупругие ионизационные процессы взаимодействия с атомными электронами, включа-ющие ионизацию атомов и молекул. Передаваемая в одном столкновении энергия в среднем очень мала и при движении в веществе потери складываются из очень большого числа таких малых потерь. Статистические флуктуации в ионизационных процессах ведут к разбросу по-терь и величин пробегов. При столкновении с атомными электронами и ядрами электроны значительно отклоняются от первоначального направления движения и двигаются по изви-листой траектории. Для электронов вводится пробег, определяемый минимальной толщиной вещества, измеряемой в направлении исходной скорости пучка и соответствующей полному поглощению электронов.
Процесс торможения примерно одинаков для электронов и позитронов. Механизм ионизационных потерь для электронов в общем такой же, как и у других заряженных частиц.
Электрон становится релятивистским уже при энергии в несколько сотен keV.
При одной и той же скорости потери примерно одинаковы для однократно заряжен-ных частиц любых масс, в том числе, например, для протонов и для электронов. Потери при одной и той же энергии в нерелятивистском случае пропорциональны массе частицы. Таким образом, потери для протона низкой энергии примерно в 2000 раз превышают потери для электрона той же энергии. Это различие очень важно на практике, особенно для методов ре-гистрации заряженных частиц.
Заряженная частица, движущаяся с ускорением, обязательно излучает электромагнит-ные волны (тормозное излучение). Потери энергии частицы на тормозное излучение назы-ваются радиационными. Интенсивность тормозного излучения при кулоновском столкновении частицы с заряженным центром обратно пропорциональна квадрату массы частицы M и пря-мо пропорциональна квадрату заряда рассеивающего центра Z. Например, радиационные по-тери для протонов в 3•103 раз меньше, чем для электронов. Далее, если в ионизационные по-тери основной вклад дают взаимодействия налетающей частицы с атомными электронами, то радиационные потери, обусловлены столкновениями с ядрами. Действительно, излучение при столкновении с ядром в Z2 больше, чем при столкновении с электроном, а число элек-тронов лишь в Z раз больше, чем ядер.
Так как радиационные потери линейно растут с энергией, то, начиная с какой-то кри-
тической энергии Екр » ZE (MeV ), они станут преобладающими (конечно, практически толь-800
ко для электронов).
Для электронов вводят две величины, соответствующие пробегу: максимальный про-бег и средний пробег. Максимальным пробегом называется минимальная толщина слоя ве-щества, в котором задерживаются все электроны. Средним пробегом называется толщина слоя половинного ослабления первичного потока электронов. На практике более удобной величиной является максимальный пробег. Для оценок пробега обычно пользуются табли-цами и полуэмпирическими формулами.
Бета – спектр 40К
N
200 600 1000 1400 E b,кэВ
Рис. 1
В области типичных для бета-распада энергий электронов (0,02 ÷ 12 МэВ) роль ради-ационного способа торможения бета-частиц незначительна. Однако теоретический расчет осложняется тем, что энергетический спектр бета-излучения возникающего в результате ра-диоактивного распада имеет непрерывный характер. См. рис. 1.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
1. Получите у преподавателя источник 40K (сосуд с калийной солью).
1.1. Взвесьте сосуд, в котором будут выполняться измерения.
1.2. Насыпьте калийную соль в сосуд равномерным слоем толщиной 5 мм.
1.3. Взвесьте сосуд с солью. Вычислите вес соли в сосуде, запишите полученное значение.
1.4. Поместите сосуд с солью в блок детектирования спектрометра.
· Установите «Высокое напряжение », определенное ранее в лабораторной работе №5;
· Прогрейте бета-спектрометр в течение 15 мин.;
· Снимите бета-спектр данного источника:
· в меню «Измерение » выберите пункт «Набор »;
· в появившемся диалоговом окне «Набор спектра» установите следующие значения: масса – 0г, время набора – 2100 с, геометрия измерения – точечная, нажмите «Набор »;
· по окончании набора сохраните набранный спектр выбрав пункт «Запись » в меню «Файл ». На появившемся окне нажмите значок в виде дискетки, войдите в папку spectr
(находится в низу правого окошка), введите имя файла …., нажмите кнопку «OK ».
Нажмите кнопку «СОХРАНИТЬ ». Рис. 2.
Рис. 2
1.5. Произведите вычет фона из набранного спектра:
· в меню «Обработка» выберите пункт «Вычитание»;
· выберите имя обрабатываемого спектра – ХХХХ (нажав на стрелочку напротив ячейки с именем спектра), выберите имя вычитаемого фонового спектра – phon (нажав на стрелочку напротив ячейки с именем фона), и результирующего спектра (ХХХУ.sp).
Вид диалогового окна «Вычитание спектров» представлен на рисунке 3.
Рис. 3
· Нажмите «Вычесть». Результирующий спектр появится в новом окне.
· Включите в окне результирующего спектра режим индикации бета-спектра щелчком по кнопке «G» в левом нижнем углу этого окна. Надпись на кнопке должна измениться на «В» (бета).
Щелкните мышью на окне полученного бета-спектра. В окне появится подвижный маркер белого цвета. Положение маркера (номер канала, где он установлен) отображается в строке состояния окна спектра (под спектром). Это левое верхнее число во второй колонке (при наведении мыши на него всплывает подсказка «Номер канала»). См. рисунок 4.
Рис. 4
1.6. Установите маркер на канал 20, затем удерживая клавишу Ctrl щелкните мышкой на ка-нале 380. Область между маркерами окрасится в синий цвет. Рис. 5.
Рис. 5
Запишите значение интеграла и скорости счета выделенной области.
1.7. Насыпьте калийную соль в измерительный сосуд до толщины 1,0 см. Повторите пункты
1.3.- 1.6.
1.8. Насыпьте калийную соль в измерительный сосуд до толщины 1,5 см. Повторите пункты
1.3.- 1.6.
1.9. Насыпьте калийную соль в измерительный сосуд до толщины 2,0 см. Повторите пункты
1.3.- 1.6.
1.10. Насыпьте калийную соль в измерительный сосуд до толщины 2,5 см. Повторите пункты
1.3.- 1.6.
1.11. Насыпьте калийную соль в измерительный сосуд до толщины 3,0 см. Повторите пункты
1.3.- 1.6.