Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5

ГАММА-РАДИОМЕТРИЯ

Цель работы: приобретение практических навыков по использованию сцинтилляционного гамма-радиометра; определение удельной активности проб относительным методом.

1. Основные теоретические положения

Явление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называетсярадиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Радиоактивность характеризуется сортом и энергией вылетающих частиц, длительностью протекания процесса (постоянная распада l, среднее время жизни t, период полураспада Т_1/2).

Основные виды радиоактивного распада – альфа (a) и бета (b). Бета- и гамма-радиоактивность присуща и легким, и средним, и тяжелым ядрам, альфа-радиоактивность встречается только среди тяжелых ядер. Принято говорить о естественной и искусственной радиоактивности (возникновение искусственной радиоактивности произошло из-за человеческой деятельности – создание ускорителей и реакторов). В настоящее время большинство радиоактивных ядер произведено искусственным путем.

Каждый такой отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоактивным распадом. Если радиоактивный распад сопровождается испусканием альфа-частиц, он называется альфа-распадом; бета-частиц – бета-распадом.

Альфа- и бета-распад обычно сопровождаются гамма-излучением. Возникающие при самостоятельных превращениях ядер атомов потоки элементарных частиц или их групп являются ионизирующими излучениями.

Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида. Эту долю называют постоянной распада и обозначают l. В общем виде этот закон выражается экспоненциальной зависимостью

, (5.1)

где N – число ядер, не распавшихся за время t; N₀ – начальное число ядер радионуклида; е = 2,718; l – постоянная распада, зависящая только от устойчивости ядер.

Для характеристики устойчивости ядер радиоактивного вещества относительно распада используется понятие периода полураспада.

Период полураспада радионуклида (Т_1/2) – это время, в течение которого первоначальное число радиоактивных ядер N₀ уменьшается в два раза. Связь между постоянной распада (l) и периодом полураспада (Т_1/2) описывается соотношением

. (5.2)

Величина, обратная постоянной распада, называется средним временем жизни t радиоактивного ядра.

Активностью радионуклида в источнике называется отношение числа радиоактивных распадов, происходящих в этом источнике за интервал времени, к величине этого интервала (скорость распада ядер).

Если радиоактивное вещество содержит N атомов и его постоянная распада l, то активность будет равна

. (5.3)

Известно, что постоянная радиоактивного распада и период полураспада Т_1/2 связаны соотношением

. (5.4)

Моль вещества содержит 6,02×10²³ атомов (число Авогадро). В массе m вещества с массовым числом А число атомов

. (5.5)

Тогда активность источника выражается формулой

, (5.6)

где А_n – активность радионуклида, Бк; m – масса радионуклида, г; А – массовое число радионуклида; Т_1/2– период полураспада радионуклида, с.

Активность источника, в котором содержатся радиоактивные ядра одного вида, уменьшается во времени по экспоненциальному закону:

, (5.7)

где А₀ – активность источника в начальный момент времени (t = 0); t – текущее время, которому соответствует активность вещества A_t.

Чем меньше период полураспада, тем большая доля ядер атомов радионуклида распадается в единицу времени. Число распадов в единицу времени в данном количестве радиоактивного вещества выражает активность вещества. Поэтому количество радиоактивного вещества удобнее выражать не в весовых единицах, а в единицах активности.

Единицей измерения активности в Международной системе единиц (СИ) является беккерель (Бк). Беккерель равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 1 распад, т. е. 1 Бк = 1 распад/с.

В практике еще используется внесистемная единица измерения активности – кюри (Ки). Кюри равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 3,7×10¹⁰ распадов, т. е.

1 Ки = 3,7×10¹⁰ Бк.

Такой активностью обладает 1 г радия, что и было принято за единицу измерения – кюри.

1 Бк = 1 распад/с = 2,703×10^–11 Ки.

Радиометрия – совокупность методов измерения активности радиоактивного источника. Радиометр – прибор для проведения таких измерений. В соответствии с сортом регистрируемых частиц говорят о гамма-, бета-, альфа-радиометрах.

Методы измерения активности подразделяются на абсолютный и относительный.

При абсолютном методе активность источника устанавливается по числу зарегистрированных частиц n, значению относительного телесного угла, под которым источник «видит» детектор, и эффективности регистрации (отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, поступивших на детектор). Но определение последних двух величин для объемного источника является трудоемкой задачей; это обстоятельство и необходимость учета ряда поправок затрудняют широкое распространение абсолютного метода.

В относительном методе активность изучаемого образца А_X сравнивается с известной активностью стандартного источника той же геометрии и близкого состава: А_X = Аn_X / n. Для реализации как абсолютного, так и относительного метода необходимы предварительные сведения о радиоизотопном составе исследуемых образцов (схемах распада радиоактивных ядер, входящих в образцы).

2. Приборы и принадлежности

В данной работе для измерений используется экспериментальная установка по регистрации фотонного гамма-излучения (рис. 5.1).

Установка состоит:

– из сцинтилляционного блока детектирования, включающего в себя сцинтилляционный счетчик на базе сцинтиллятора NaI(Tl) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ-85);

– пересчетного устройства ПСО;

– блока питания низковольтного (+5, ±12 В), вмонтированного в ПСО;

– блока питания высоковольтного;

– источника гамма-излучения на основе изотопа Cs-137.

Рис. 5.1. Структурная схема экспериментальной установки:

1 – источник g-излучения; 2 – сцинтиллятор (люминофор);

3 – фотоэлектронный умножитель; 4 – высоковольтный блок;

5 – блок низковольтного питания; 6 – пересчетное устройство

Источник гамма-излучения 1 (изотоп Cs-137), взаимодействуя с веществом сцинтиллятора 2 NaI(Tl), теряет свою энергию на возбуждение атомов и молекул. Фотоны света, т. е. сцинтилляции, регистрируются фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) 3. Импульсы напряжения поступают с выхода ФЭУ на пересчетное устройство ПСО 6. Питание ФЭУ осуществляется за счет высоковольтного блока 4, питание к которому поступает от блока низковольтного питания 5 (±12 В).

3. Порядок выполнения работы и обработка результатов

3.1. Подсоедините сетевой шнур к питающей сети 220 В. Включите ПСО в сеть, нажав красную клавишу, расположенную на задней панели прибора. Переключатели на передней панели ПСО установите напротив меток. Переключателем «Установка экспозиции» установите время измерения 100 с.

3.2. Выполните 5 измерений количество импульсов(N_ф) от гамма-фона. Для этого нажмите клавишу «Сброс», затем «Пуск». По истечении 100 с на ПСО гаснет красный индикатор, снимите показания и запишите их в таблицу. Определите среднее арифметическое значение количества импульсов .

Таблица