Филиал Федерального автономного образовательного учреждения

Высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Заочный факультет

Кафедра ядерной физики

Лабораторная работа №5

Тема: Исследование поглощения γ-излучения в веществе.

Выполнил:

студент группы ЭиА-С12-з

Казаков Е.И.

Проверил: Гончарова И.Н.

Обнинск 2015

Цель работы: определение линейного коэффициента ослабления различных веществ, энергии γ-квантов, определение вклада каждого эффекта в процессс поглощения.

Ход работы:

Атомное ядро может иметь избыточную энергию (быть возбуждённым) в результате радиоактивного распада или в результате искусственно вызванного ядерного превращения(ядерной реакции).Ядро не испытывает разрушения если его избыточная энергия выделяется при радиационном переходе(гамма-излучение) либо передаётся непосредственно электронной оболочке собственного атома.

Пучок гамма-квантов испытывает в веществе электромагнитные взаимодействия с яд рами и электронами. Однако в отличии от заряженных частиц гамма-кванты не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил , поскольку они не имеют электрического заряда. Поэтому гамма-кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, чем и объясняется большая проникающая способность гамма-квантов. При столкновениях гамма-кванты либо поглощаются, либо рассеиваются, резко отклоняясь и изменяя свою энергию.

/ 08HlxQwKuyn11ofkNXpsGJC9/iPpONUwyEESO83OW3udNkgzBl+eUdD+/R7s+8e+/AkAAP//AwBQ SwMEFAAGAAgAAAAhAA0tdzzdAAAACQEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj8FOwzAQRO9I/IO1 SFwQtRtVUUnjVAgJxIFLUz5gE5skarwOsduk/Xq2XOC2szuafZNvZ9eLkx1D50nDcqFAWKq96ajR 8Ll/fVyDCBHJYO/JajjbANvi9ibHzPiJdvZUxkZwCIUMNbQxDpmUoW6tw7DwgyW+ffnRYWQ5NtKM OHG462WiVCoddsQfWhzsS2vrQ3l0GnbVGj/e1Xfpz5RepksZ3h6GWuv7u/l5AyLaOf6Z4YrP6FAw U+WPZILoWa+SJVt5eFqBuBp+F5WGNFEgi1z+b1D8AAAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS /gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhAF77xbgZAgAANAQAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAG AAgAAAAhAA0tdzzdAAAACQEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAcwQAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYA AAAABAAEAPMAAAB9BQAAAAA= " o:allowincell="f" strokeweight="2.25pt"/>

1 5 6 7

2 3

1-Источник гамма-излучения ¹³⁷Cs 5-Сцинтилляционный детектор

2-Защитный контейнер 6-Однокканальный амплитудный анализатор

3-Пучок гамма-квантов 7-Пересчётное устройство

4-Ослабляющие фильтры

Рисунок 1 – Схема установки

В ходе данной лабораторной работы используется в качестве рабочего элемента ¹³⁷Cs.

0,66

Таблица 1 – Таблица данных (Алюминий: толщина – 0,5 см, N_ф = 27)

№	Толщина поглотителя	Ni	ln(Ni-Nф)	2δyi
			7,985	0,0369
	0,5		7,857	0,0394
			7,811	0,0403
	1,5		7,702	0,0425
			7,629	0,0441
	2,5		7,518	0,0466
			7,385	0,0498
	3,5		7,289	0,0523
			7,247	0,0534
	4,5		7,135	0,0565
			6,972	0,0613
	5,5		6,850	0,0651
			6,787	0,0672
	6,5		6,680	0,0709
			6,574	0,0747
	7,5		6,503	0,0774

α₁ = 7,9956

α₂ =0,1997

2σ _α1 =0,0227

2σ _α2 =0,0065

ν =14

χ² =17,1975

см^-1

Таблица 2 – Таблица данных (Медь: толщина – 0,17 см, N_ф = 27)

№	Толщина поглотителя	Ni	ln(Ni-Nф)	2δyi
			7,988	0,0369
	0,17		7,922	0,0381
	0,34		7,780	0,0409
	0,51		7,667	0,0433
	0,68		7,586	0,045
	0,85		7,474	0,0477
	1,02		7,310	0,0517
	1,19		7,224	0,054
	1,36		7,142	0,0563
	1,53		7,043	0,0591
	1,7		6,892	0,0638
	1,87		6,810	0,0664
	2,04		6,661	0,0716
	2,21		6,551	0,0756
	2,38		6,521	0,0768
	2,55		6,333	0,0843

α₁ =8,0062

α₂ = 0,6463

2σ _α1 =0,0185

2σ _α2 =0,016

ν =14

χ² =11,3141

см^-1

Таблица 3 – Таблица данных (Свинец: толщина – 0,1 см, N_ф = 27)

№	Толщина поглотителя	Ni	ln(Ni-Nф)	2δyi
				8,025
		0,1		7,909
		0,2		7,756
		0,3		7,658
		0,4		7,522
		0,5		7,466
		0,6		7,263
		0,7		7,165
		0,8		7,063
		0,9		6,987
				6,868
		1,1		6,751
		1,2		6,569
		1,3		6,531
		1,4		6,431
		1,5		6,315

α₁ = 8,0066

α₂ = 1,1532

2σ _α1 = 0,0227

2σ _α2 = 0,0338

ν = 14

χ² = 16,9337

см^-1

Используя таблицу зависимости , по полученной величине определим энергию -квантов источника: МэВ, МэВ, МэВ. На рисунке 2 приведены графики функций ослабления.

Алюминий:

Медь:

Свинец:

Вывод: В ходе данной лабораторной работы было изучено взаимодействие гамма излучения с веществом. Были проведены необходимые измерения, расчёты. Построен график зависимости энергии гамма частиц от толщины слоя, определен линейный коэффициент ослабления различных веществ см^-1, см^-1, см^-1 и энергии γ-квантов МэВ, МэВ, МэВ.

Контрольные вопросы:

1) Процессы взаимодействия γ-квантов с веществом

γ -Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении γ -излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. γ -Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка γ -квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которой описывается экспоненциальным законом I = I₀e^-μx(I₀ и I — интенсивности γ -излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, μ — коэффициент поглощения). Так как γ -излучение — самое проникающее излучение, то μ для многих веществ — очень малая величина; μ зависит от свойств вещества и от энергии γ -квантов.

γ -Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрами. Доказывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение γ -излучения через вещество, являются фотоэффект, Комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение γ -излучения — это процесс, при котором атом поглощает γ -квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий γ -квантов (Е_γ <100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить γ -квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.

По мере увеличения энергии γ -квантов (Е_γ ≈ 0,5 МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом взаимодействия γ -квантов с веществом является комптоновское рассеяние.

При Е_γ >l,02 МэВ=2m_ec² (m_e — масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электронно-позитронных пар в электрических полях ядер- Вероятность этого процесса пропорциональна Z² и увеличивается с ростом Е_γ. Поэтому при Е_γ ≈ 10 МэВ основным процессом взаимодействия γ -излучения в любом веществе является образование электронно-позитронных пар.

Если энергия γ -кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7—8 МэВ), то в результате поглощения γ -кванта может наблюдаться ядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.

Воздействие γ -излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения.

2) Написать выражения для определения линейного и массового коэффициентов ослабления для всех процессов взаимодействия

Характеристикой ослабления γ -излучения в веществе является линейный коэффициент ослабления μ, обычно измеряемый в см^-1. Иногда вводят массовый коэффициент ослабления, равный отношению μ к плотности вещества р; в этих случаях коэффициент ослабления измеряют в см²/г.

3) Подсчитать массовые коэффициенты поглощения для различных материалов поглотителя и сделать заключение о влиянии комптоновского процесса взаимодействия при исследуемой энергии γ-квантов.

В области энергий фотонов Е_γ > 10Iк сечение комптоновского рассеяния σ_Ке становится существенно преобладающим над соответствующим сечением фотоэффекта и оказывается основным фактором ослабления потока γ -квантов. Это положение демонстрируется на графике, где представлена зависимость от энергии Еγ сечения фотоэффекта на один электрон (штриховые линии) для ряда веществ

4) Устройство и принцип действия сцинтилляционного детектора.

Детектор частиц, действие которого основано на регистрации световых вспышек в видимой или УФ-области, возникающих при прохождении заряженных частиц через сцинтиллятор. Доля энергии, конвертированная в световую вспышку от полной энергии ( ), потерянной частицей в сцинтилляторе, называется к о н в е р с и о н н о й э ф ф е к т и в н о с т ь ю. Она является основным. параметром сцинтилляционного детектора. Иногда вместо конверсионной эффективности используют уд. световой выход (свето-выход) - число образованных частицей фотонов на единицу потерянной энергии , или ср. энергию, расходуемую на образование одного фотона, w_ф= w/С_к.

Здесь -ср. энергия фотонов световой вспышки ( 3 эВ).

Для наибольшей эффективности сцинтилляторов значение С_к достигает 0,1-0,3. Конверсионная эффективность зависит от типа регистрируемой частицы и от её уд. потерь энергии. Для данного сцинтиллятора С_к может зависеть от температуры T, наличия примесей и соотношения различают компонент в сцинтилляторе.

Сцинтилляционный счетчик обладает спектроскопическими свойствами, т. е. интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в широкой области энергии. Только в области малых энергий, где резко возрастает уд. потеря энергии, световыход падает и пропорциональность нарушается.

Механизмы преобразования энергии частицы в световую вспышку различны для разных сцинтилляторов. В большинстве случаев они могут быть сведены к след. (упрощённой) схеме: 1) ионизация и возбуждение атомов и молекул, образование радикалов; 2) перенос энергии возбуждения к центрам свечения (радиационный, резонансный, экситонный, электронно-дырочный); 3) возбуждение и высвечивание центров свечения. Нейтральные частицы регистрируются благодаря передаче энергии заряженным: g-кванты- по электронам и позитронам (см. Гамма-излучение), нейтроны - по протонам отдачи (при упругом рассеянии) или по заряженным частицам, возникающим в ядерных реакциях нейтронов с веществом сцинтиллятора.

Рисунок 1 - Схема сцинтилляционного детектора:

Сц- сцинтиллятор,

Св-светопровод,

Ф - фотокатод,

Д - диноды,

А - анод.

Основные элементы счетчика (рисунок 1) - сцинтиллятор и соединённый с ним оптически фоторегистратор, преобразующий энергию световой вспышки в электрический импульс. В качестве фоторегистратора обычно используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Световые фотоны, попадая нафотокатод ФЭУ, выбивают из него электроны, к-рые фокусируются на 1-й динод, размножаются динодной системой в результате процессавторичной электронной эмиссии и окончательно собираются на аноде ФЭУ, создавая в его цепи электрический импульс.

5) Возможный эффект нарушения экспоненциальной зависимости ослабления интенсивности вследствие многократного комптоновского рассеяния.

Рассеяние с измерением длины волны (комптон-эффект) возникает тогда, когда энергия падающего кванта превышает энергию связи электрона в атоме. Комптоном было предложено трактовать указанный эффект как упругое рассеяние частиц-фотонов на свободных электронах. В каждом отдельном акте взаимодействуют один фотон и один электрон (электроны в этом случае можно считать свободными, так как энергия падпющих квантов превосходит энергию связи электронов в атомах)

7) Возникновение γ-излучения в источнике ¹³⁷Сs

При α- и β-распадах возможно возникновение γ-излучения. Γ-кванты образуются в результате β-распадов изотопов ¹³⁷Сs на возбужденное состояние изотопа ¹³⁷Ва. В результате распада возбужденного состояния 11/2^- Е = 0,66 МэВ изотопа ¹³⁷Ва образуются γ-кванты с энергией 0,66 МэВ.