Гама-випромінювання

Міністерство освіти і науки України

Уманський державний педагогічний університет ім. П. Тичини

Інститут природничо-математичної

та технологічної освіти

Кафедра фізики та астрономії та

методики їх викладання

Індивідуальне навчально-дослідне завдання

Гама-випромінювання

Виконав:

Студент 32 групи

Фізико-математичного факультету

Вдовиченко О. А.

Викладач:

Декарчук М. В.

Умань 2008

План

1. Загальна характеристика гама-випромінювання

2. Поглинання г-променів речовиною зумовлене трьома процесами

3. Експериментальне встановлення г-випромінювання

4. Прилади дозиметричного контролю

5. Принципи роботи дозиметричних приладів

6. Дозиметри

1. Загальна характеристика гама-випромінювання

Гамма-випромінювання відкрив П. Віллар у 1900 р. Опромінюючи б - і в -частинками свинець, Віллар виявив залишкове випромінювання, яке проявляло слабку іонізуючу дію і не відхилялось у магнітному полі; його назвали у -випромінюванням. Проникна здатність цього випромінювання була вища, ніж у найбільш жорсткого рентгенівського випромінювання.

Гамма-випромінювання, як і рентгенівське, - це електромагнітне випромінювання, вони відрізняються одне від одного тільки своїм походженням і енергією. Якщо рентгенівське випромінювання випускається при збудженні або віддаленні орбітальних електронів або гальмуванні швидких електронів, то г-випромінювання виникає при ядерних перетвореннях.

У процесі г-випромінювання виділяється енергія збудження ядра.

Ядро може перейти в збуджений стан внаслідок радіоактивного розпаду або штучно спричинених ядерних перетворень. Гамма-випромінювання, яке виникає при певній ядерній реакції, утворене квантами однієї енергії або групою квантів з дискретними значеннями енергії. Найчастіше у-випромінювання ядер має енергію в діапазоні від кількох кілоелектрон вольт до кількох мегаелектрон вольт.

Якщо у-випромінювання проходить через речовину, то інтенсивність початкового пучка послаблюється. Це послаблення інтенсивності є результатом взаємодії г-квантів з електронами і атомами речовини, через яку вони проходять практично найістотніші три процеси взаємодії у випромінювання з речовиною: фотоефект, комптонівське розсіяння і утворення пар.

г-промеш зовсім не відхиляються у магнітному полі; вони є електромагнітними хвилями дуже короткої довжини -- від 40 до 0,1 нм їх дифракція виявляється тільки в разі проходження крізь кристали, г-промені мають велику проникну здатність: можуть проходити крізь шар свинцю до 5 см завтовшки, наскрізь пронизують тіло людини.

2. Поглинання г-променів речовиною зумовлене в основному трьома процесами

Поглинання г-променів речовиною зумовлене в основному трьома процесами: фотоефектом, комптонівським розсіюванням і явищем утворення електронно-позитронних пар.

Фотоефект

Фотоефектом називають такий процес взаємодії г-кванта речовиною, при якому г-квант зникає, повністю передаючи свою енергію та імпульс електрону й атому. При цьому електрон викидається з межі атома. Фотоефект найбільш можливий тоді, коли енергія г-квант, близька до значення роботи виходу електрона з речовини. Послаблена випромінювання внаслідок фотоефекту має основне значення при малих енергіях () . Фотоефект можливий лише на зв'язаному і не може відбуватися ?на вільному електроні.

Рис. Комптонівське розсіяння

Крім фотоефекту, при якому г-квант перестає існувати, взаємодія г-випромінювання з середовищем може спричинити їх розсіяння тобто їх відхилення від початкового напряму (рис. 1). Якщо г-кванти мають значну (понад 1 МеВ) енергію , то, потрапляючи в речовину, вони можуть розсіюватись на вільних або слабко зв'язаних електронах речовини, віддаючи частину своєї енергії цим електронам і змінюючи напрям свого поширення, при цьому змінюється довжина хвилі розсіяного г-кванта ('). Зміна довжини хвилі внаслідок розсіяння залежить лише від кута розсіяння и і не залежить від довжини хвилі падаючого кванта і від роду розсіючої речовини. Електрон, на якому розсіюється г-квант, дістає енергію, що дорівнює різниці енергій падаючого і розсіяного квантів (-').

Утворення пар

При вищих значеннях енергії г-випромінювання спостерігається утворення пар. За сучасною теорією, падаючий у-квант повністю поглинається в області кулонівського поля ядра, внаслідок чого виникає пара частинок: електрон і позитрон. Можливість існування позитрона передбачив П. Дірак за два роки до його відкриття. Він довів можливість утворення пари електрон-позитрон з фотона. Експериментально позитрон виявив К. Андерсон у 1932 р. в процесі вивчення складу космічного проміння за допомогою камери Вільсона, вміщеної в магнітне поле, Під час досліджень було встановлено, що в тому самому місці камери з'являються дві (пара) частинки, які відхиляються в різні боки в магнітному полі. З цього випливало, що їх заряди різнойменні. Характер треків і кривизна шляхів доказували, що маси обох частинок однакові. Тепер з великою точністю встановлено, що позитрон за своїми властивостями подібний до електрона, але відрізняється знаком заряду.

Процес утворення пари пов'язаний із затратою енергії 0,51 МеВ (енергія спокою) на кожну частинку. Отже, мінімальна енергія г-кванта, потрібна для створення електрон-позитронної пари, Е₀=2т₀с² =1,02 МеВ. Уся надлишкова енергія, яку має г-квант понад 1,02 МеВ, переходить у кінетичну енергію утворених частинок.

Експериментальне встановлення г-випромінювання

Експериментально встановлено, що г-випромінювання самостійно не існує, воно супроводжує процеси а- і (3-розпадів. Після виділення цих частинок ядро атома зазвичай перебуває в збудженому стані; перехід його в нормальний стан супроводжується випромінюванням у-фотона.

У 1908 р. Е. Резерфорд зі співробітниками спектроскопічним способом виявили, що в ампулі з деякою кількістю солі радію КаС1₂ з'явилися два нові гази; одним із них був гелій, а другим -- тоді ще невідомий радіоактивний елемент, що дістав назву «еманація радію» (тепер -- радон).

Було встановлено, що у закритій ампулі кількість радону спочатку швидко зростає, потім настає рівновага і його кількість залишається незмінною. Це означало, що кількість радону, який утворюється з радію, дорівнює кількості радону, що розпадається. Далі було поставлено такий дослід. Деяку кількість радону закрили в окрему ампулу і помітили, що його кількість безперервно зменшується, а саме: через 3,82 доби радону залишається 1/2, ще через 3,82 доби -- 1/4 і т. д. Так було встановлено, що радіоактивна речовина розпадається за експоненціальним законом. Закон радіоактивного розпаду можна вивести з таких міркувань. Число атомів -dN, що розпадаються за час dt, пропорційне числу наявних атомів N:

Звідки

; , (1)

де С -- стала інтегрування; за t=0 маємо: , де -- початкове число атомів радіоактивної речовини.

Підставивши у вираз (1) значення С, знайдемо число атомів, які ще не розпалися:

, (2)

де л, -- стала розпаду, що залежить від роду речовини.

Процес радіоактивного розпаду характеризують періодом піврозпаду ф, тобто проміжком часу, за який розпадається половина всіх атомів радіоактивної речовини.

Період піврозпаду ф знаходиться у певному співвідношенні зі сталою розпаду л, а саме: поклавши, і , за формулою (2) знайдемо:

Звідки

(3)

Період піврозпаду може бути дуже великим і дуже малим залежно від речовини та її атомної маси. Наприклад:

Щоб визначити сталу розпаду л, а за нею і період піврозпаду ф для речовин, що розпадаються занадто повільно або занадто швидко, використовують стан рівноваги, що настає між радіоактивною речовиною В (яка утворюється внаслідок розпаду речовини А) і речовиною А. При цьому число розпадів атомів за час dt для обох речовин однакове:

звідки

(4)

де N і -- числа атомів двох речовин у стані рівноваги.

Співвідношення (4) дає змогу знаходити сталу розпаду одного елемента за відомою сталою розпаду іншого.

Для визначення періоду піврозпаду використовують також формулу для атомів, які ще не розпалися

та формулу для атомів, які розпалися за час t

(5)

В останньому випадку число розпадів визначають за допомогою спеціальних лічильників. Зазвичай у формулу (5) замість л вводять період піврозпаду ф:

4. Прилади дозиметричного контроля

Прилади дозиметричного контролю іонізуючих випромінювань призначені для вимірювання потужності іонізуючих випромінювань (рівня радіації) і ступеня радіоактивного забруднення різних предметів. В сучасних дозиметричних приладах найбільш розповсюджений іонізаційний метод знаходження та вимірювання іонізуючих випромінювань. Він заснований на використанні однієї з властивостей радіоактивних речовин - іонізувати середовище, в якому вони розповсюджуються (тобто розщіплювати нейтральні молекули або атомні пари: додатні - іони і від'ємні - електрони). Якщо взяти замкнений об'єм газу і надати йому електричний струм, то ті електрони та іони, що утворюються при опроміненні прийдуть до упорядкованого руху: перші будуть переміщуватись до анода, другі - до катода. В результаті між електродами (анодом і катодом) виникає так званий іонізаційний ток, величина котрого прямо пропорційна потужності дози іонізуючого випромінювання. По силі іонізаційного тока можна судити про інтенсивність випромінювань.

5. Принципи роботи дозиметричних приладів

Сприймаючими пристроями дозиметричних приладів є іонізаційні камери та іонізаційні лічильники. Іонізаційна камера уявляє собою заповнений повітрям замкнутий об'єм, в якому поміщені додатній і від'ємний електроди. Анодом в ній служить токопроводящий слой, катодом - металевий стержень. До електродів підводиться струм від джерела живлення, яке утворює в камері електричне поле. Якщо іонізуючих променів немає, то повітря в камері не іонізоване і не проводить електричний струм. Під впливом випромінювань повітря в камері іонізується, ланцюг замикається і по ній проходить іонізаційний ток. Він поступає в електричну схему приладу, підсилюється, перетворюється і змінюється мікроамперметром, шкала якого відградуойвана в рентгенах на годину або мілірентгенах на годину. Подібні іонізаційні камери застосовуються в приладах, за допомогою яких вимірюють потужність дози гама-випроміненнь (рівень радіації) на місцевості.

Газорозрядний лічильник уявляє собою металевий (або скляний) циліндр, заповнений розрідженою сумішшю інертних газів з невеликими добавками, які поліпшують його роботу. Анодом служить тонка металева нить, натягнута всередині корпуса, котрий є катодом (у скляних лічильників катод - тонкий слой метала, нанесений на внутрішню поверхню корпуса.)

Газорозрядні лічильники застосовуються в приладах, призначених для виявлення і вимірювання ступеня забрудненості різних поверхонь радіоактивними речовинами. Вони також можуть використовуватися для вимірювання потужності дози гама - випромінень (рівня радіації).В залежності від виконання завдання прилади радіаційної і хімічної розвідки та дозиметричного контролю розподіляються на:

1. Вимірювачі потужності дози, при допомозі яких вимірюються рівні (ДП-3б, ВПД-21с, ВПД-21Б);

2. Вимірювачі потужності дози - ДП-5А, Б, В, ВПД-12, при допомозі яких мікродіапазонні комбіновані прилади;

3. Вимірювачі поглинення дози - (ІД-1, ІД-11)(гама - нейтронні випромінювання) - це прилади індивідуального дозиметричного контролю, при допомозі яких виявляють, яку дозу отримала людина (персонально), в якій ситуації або за відповідний період;

4. Дозиметри - (ДК-02, ДКП-50, ДП-22В, ДП-24) для одного виду випромінювання;

5. Газосигналізатори автоматичні (ГСА-12, АСП, ГСП-11, ГС-СОМ), при допомозі яких проводиться автоматичний контроль навколишнього середовища з метою виявлення парів отруйних, радіаційних речовин, аерозолів;

6. Декадно - розрахункова установка (ДП-100, ДП-100 АДМ), призначена для виміряння кількості електричних імпульсів при віявленні ступені зараженості радіаційними ізотопами води, продовольства, повітря, проб ґрунту і т. д.

6. Дозиметри

Вимірювач потужності дози ДП-5

Вимірювач потужності дози (ренгенметр ДП-5В (а,б)) призначається для вимірювання рівнів гама - радіації і радіоактивної зараженості різноманітних предметів гама-випромінювання. Потужність експозиції дози гама- випромінювання визначається у мілірентгенах (або рентгенах на 1 годину) для тієї точки простру, де знаходиться блок детектування приладу. Крім того, приладом ДП-5В можна виміряти і рівень бета-випромінювання. Діапазон змін має шість піддиапазонів вимірювань.

ДП-64 призначений для постійного спостереження і виявлення початку радіаційного зараження. Прилад стаціонарний, використовується як правило в приміщеннях, датчик виноситься на вулицю. Прилад ДП-64 працює в слідкуючому режимі та забезпечує звукову та світлову сигналізацію через 3 секунди по досягненню рівнів гама - випромінювання 0,2 р/год. На наявність гама - випромінювання вказує спалах неонової лампи та синхронні клоцання динаміка.

Прилади ДП-3б, МД С (стаціонарний), МД Б (бортовий) - вимірювачі потужності дози. Призначені для вимірювання рівнів радіації на місцевості, зараженій радіоактивними речовинами (радіонуклеїдами). Вони є основними приладами для проведення радіаційної розвідки на рухомих механізованих транспортних засобах (автомобіль, БТР, вертоліт і т. д.), які мають бортову мережу постійного струму напругою 12 або 26в.

Дозиметр ДП-22В (ДКП-50А)

Дозиметр ДП-22В - це комплект індивідуальних дозиметрів ДКП-50А, призначених для вимірювання дози іонізуючого випромінення, отриманого людьми під час перебування на радіоактивно забрудненій місцевості.

Вимірювач потужності дози ІМД-21с(б) призначений для вимірювання потужності експозиционної дози гама-випромінювання та видачі світлового сигналу про перевищення порогового значення потужності експозиції дози гама-випромінювання.

Вимірювач потужності дози використовується як стаціонарний (ІМД-21с), так і рухомий (ІМД-21б).

ІМД-21с(б) забезпечує вимірювання потужності експозиционної дози гама-випромінювання від 1 до 10 000 р/год. ІМД-21с(б) забезпечує сигналізацію про перевищення встановленого порогового значення потужності експозиционної дози гама-випромінювання 1,5,10, та 100 р/год.

Прилади ІД-1, ІД-11 - це комплекти індивідуальних дозиметрів, які служать для вимірювання поглинених доз гама-випромінювання у межах 2-500 рад. при потужності від 10 до 360 0000 рад/год. Це мініатюрні пристрої, з допомогою яких виявляють дозу, яку дістала людина персонально. ІД-1та ІД-11 по виду реєструємих доз відносяться:

1. По діапазону реєструємих доз: до аварійних, грубих, розраховані на високі рівні радіації;

2. Конструктивно: ІД-1 - прямопоказуючі, ІД-11 - непрямопоказуючі. Прилад ДК-0,2 - прямопоказуючий дозиметр, виконаний у виді авторучки з оптичним окуляром, який дозволяє безпосередньо проводити підрахунок експоненційної дози гама - випромінювання в діапазоні 0-200 мР. В його корпусі вмонтована інтегруюча іонізаційна камера та конденсатор, живлення якого здійснюється перед роботою від зарядного пристрою.

Радіометр - дозиметр гама-бета випроміненьРКС-01 "Стора" призначений для індивідуального і колективного користування при вимірюванні значення потужності експозиційної дози гама - випромінення та щільності потоку бета - частинок. Радіометр призначений для вимірювання радіаційного фону в місцях проживання і праці населення, контролю радіаційної чистоти житлових і виробничих приміщень, будівель та споруд, предметів одягу, території, що прилягає, поверхні ґрунту на присадибних ділянках, транспортних засобів.

Прилад забезпечує високу точність обробки інформації, зміну оперативності вимірювань без втрат точності при різних рівнях випромінення. Схема обробки інформації приладу позбавлена температурної нестабільності, прилад має низьке енергоспоживання, живиться від акумуляторів. Номер у Державному реєстрі засобів вимірюванняУ720-96.

Дозиметр - радіометр гама-бета випромінень ДКС-01М "Селвіс" призначений для вимірювання еквівалентної дози і потужності еквівалентної дози гама- та рентгенівського випроміненнь, часу накопичення еквівалентної дози, а також поверхневої щільності потоку бета - частинок. Дозиметр використовується для і радіометричного контролю на промислових підприємствах, атомних електростанціях, в науково-дослідницьких організаціях; контролю радіаційної чистоти житлових приміщень, будівель і споруд, території, що до них прилягає, предметів побуту, одягу, поверхні ґрунту на присадибних ділянках, транспортних засобів. Номер у Державному реєстрі засобів вимірювання У900-99.

Дозиметр гама-випромінення індивідуальний ДКС-02К "КАДМІЙ"призначений для вимірювання еквівалентної дози та потужності еквівалентної дози гама- та рентгенівського випромінень, а також часу накопичення еквівалентної дози. Дозиметр використовується для індивідуального дозиметричного контролю на промислових підприємствах, атомних електростанціях, в науково - дослідницьких організаціях, радіологічних відділах, а також контролю радіаційного забруднення оточуючого середовища. Прилад має звукову та світлову сигналізацію перевищення порогових рівнів, можливість програмування порогових рівнів по дозі та потужності дози. Номер у Державному реєстрі засобів вимірювання У1241-99.

Дозиметр - радіометр гама-бета випромінення пошуковий МКС-07 "ПОШУК" призначений для вимірювання еквівалентної дози і потужності еквівалентної дози гама- та рентгенівського випромінення, а також поверхневої щільності потоку бета - частинок. Дозиметр використовується для дозиметричного та радіометричного контролю на промислових підприємствах, атомних електростанціях, в науково - дослідницьких організаціях; контролю радіаційної чистоти житлових приміщеннях, будівель і споруд, території, що до них прилягає, предметів побуту, одягу, поверхні ґрунту на присадибних ділянках, транспортних засобів. Прилад забезпечує можливість програмування порогових рівнів потужності дози гамма-випромінення та щільності потоку бета-частинок, звукову сигналізацію зареєстрованих гама-квантів, бета-частинок та перевищення запрограмованого порогового рівня потужності еквівалентної дози чи щільності потоку бета-частинок; реєстрацію м'яких бета-випроміненнь. Номер у Державному реєстрі засобів вимірювання У1207-99.

Дозиметр - радіометр універсальний "МКС-У"(модернізований рентгенометр ДП-5В) призначений для вимірювання еквівалентної дози і потужності еквівалентної дози гамма-випромінення та поверхневої щільності потоку бета - частинок. Прилад забезпечує можливість роботи в умовах атмосферних опадів (дощ, сніг), в умовах запиленої атмосфери та при заглибленні виносного детектора гама - випромінення в воду на глибину до 0,5 м., вимірювання аварійних рівнів перевищення еквівалентної дози гама - випромінення з доставкою виносного детектора на відстань до 30 м., автоматичну установку інтервалів та диапазонів вимірюваннь.

Література

1. Прилади радіаційного контролю виробництва НВКП "Спаринг - Віст"

Львів, 2000 р.

2. Начальная военная подготовка: «Учебник для 10-11 классов». Просвещение, 1984 г.

3. А.М. Костров Гражданская оборона: «Пробный учебник для средних учебных заведений». Просвещение, 1991г.

4. П.М. Воловик: «Фізика для університетів». Вища освіта 2005р

5. В.Ф. Дмитрієва: «Фізика». Техніка 2008

6. Мережа Інтернет