Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

w Kaliszu

Wydział Politechniczny

Inżynieria środowiska

Studia stacjonarne

Zagrożenia radiologiczne

Ćwiczenie nr. 3

Wyznaczanie energii promieniowania β.

Wykonał:

Piotr Wardeński

Grupa 1b

Kalisz 2012 r.

Zarys teoretyczny

1. Wprowadzenie.

Średnie energie kinetyczne emitowanych w wyniku rozpadu radioaktywnego cząstek α,

β czy kwantów towarzyszącego im promieniowania γ są rzędu MeV (1 MeV=1,6·10-13J), a więc o kilka rzędów wielkości przewyższają energie wiązania elektronów walencyjnych w

związkach chemicznych. Przekazanie w pojedynczym akcie nawet małej części tej

początkowej energii musi prowadzić, wskutek procesów wtórnego jej przekazywania, do

jonizacji i wzbudzenia wielu sąsiednich cząsteczek ośrodka. Procesy te można schematycznie

przedstawić w następujący sposób:

M →M+ + e- jonizacja

M →M* wzbudzenie

W dalszym etapie zwykle w czasie od 10-9do 10-6 s zachodzą kolejne przemiany tych

wysoce reaktywnych składników materii:

M+ →R++R. dysocjacja M*→M + h v fluorecscencja

M++ e-→ M* rekombinacja M*→R++ R- dysocjacja na jony

M+ + X → Y+ reakcja chemiczna M*→R1. + R2 dysocjacja na rodniki

M+ + X → M + X+ przenoszenie ładunku M*+ X→Y reakcja chemiczna

M* +X → M +X* przenoszenie energii wzbudzenia

2. Scyntylatory polimerowe - stałe roztwory scyntylatorów organicznych w  przezroczystych masach polimerowych. To scyntylatory do pomiaru szybkich zliczeń, o dużej wydajności świecenia.

Działanie scyntylatora opiera się na zjawisku scyntylacji, czyli świecenia niektórych substancji pod wpływem promieniowania jonizującego. W scyntylatorze następuje przekształcenie energii promieniowania jonizującego na energię kwantów światła-wydajność tej przemiany jest niewielka, wynosi kilka procent. Kwanty światła ze scyntylatora padając na fotokatodę wybijają z niej elektrony. Elektron, który został wybity z fotokatody daje początek kaskadzie elektronów wtórnych powstających w fotopowielaczu. Czas emisji światła ze scyntylatora wynosi ok. 10^-6 s i z taką szybkością można rejestrować cząstki lub kwanty padające na scyntylator.

Rys. 1. Scyntylator polimerowy z butelek PET.

Przyszłe dozymetry, czyli przyrządy do pomiaru dawki promieniowania jonizującego albo aktywności promieniotwórczej danego preparatu, będą zawierać nowe tworzywo sztuczne Sintirex, pozyskiwane z przezroczystych butelek PET. Koszt produkcji ma stanowić ok. 1/10 ceny dzisiejszych scyntylatorów, które emitują światło pod wpływem promieniowania jonizującego. 

3. Promieniowanie beta (promieniowanie β) - rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej.

Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę.

Ładunek elektryczny cząstki jest równy -1 (lub 1 dla pozytonu), masa spoczynkowa jest równa masie elektronu, czyli 1/1840u. Przykład przemiany, w której następuje emisja promieniowania beta:

3.1. Rozpad β-

Rozpad beta minus (przemiana β- ) - jest to reakcja jądrowa, w której z jądra

emitowany jest elektron e- (promieniowanie beta) oraz antyneutrino elektronowe νae .

X → Y + e- + νae

C → + e- + νae

Cs → + e- +

Jak widać w wyniku tej przemiany liczba masowa jądra pozostaje bez zmian, natomiast

liczba atomowa nowo utworzonego jądra wzrasta o 1. Wynika to faktu, _e przemiana β-

polega na zamianie jednej formy nukleonu (neutronu) w inną (proton) z równoczesną emisją

elektronu i antyneutrina elektronowego νae:

0n → p+ + e- + νae

Schemat rozpadu β- można równie_ przedstawić (Rys.2) za pomocą poziomów

energetycznych jądra wyjściowego i końcowego:

Rys.2. Schemat rozpadu 137Cs

3.2. Rozpad β+

Rozpad beta plus (przemiana β+) – jest to reakcja jądrowa, w której emitowana jest

cząstka β+ (zwana pozytonem lub antyelektronem) oraz neutrino elektronowe - νe

X → Y + e+ + νe

C → B + e+ + νe

F → O + e+ + νe

W wyniku tej przemiany nowo utworzone jądro ma liczbę atomową o 1 mniejszą.

Emitowany pozyton jest w naszym układzie cząstką antymaterii i po spotkaniu z elektronem

ulega anihilacji, której rezultatem jest emisja w przeciwnych kierunkach dwóch kwantów γ o

energii 0,51 MeV

e+ +e- -→ 2 hν

Zjawisko emisji w przeciwnych kierunkach dwóch kwantów γ przez nuklidy β+

promieniotwórcze zostało wykorzystane w nowoczesnej metodzie diagnostycznej tzw.

pozytonowej tomografii komputerowej PET.

3.3. Wychwyt elektronu (electrone capture EC)

W procesie tym jądro wychwytuje elektron z atomowej powłoki K lub wyższej, dzięki

czemu następuje neutralizacja ładunku protonu i zachodzi reakcja:

p + e - → n + νe + Eγ

X → Y + νe + Eγ

I → Te + νe + Eγ

Przykład schemat rozpadu EC przedstawiono na Rys.3.

Rys.3. Schemat rozpadu Au .

Po wychwycie elektronu jądro może być w stanie wzbudzonym i wtedy przemianie

towarzyszy emisja z jądra kwantu promieniowania γ. Ponadto obojętny elektrycznie atom

staje się jonem wzbudzonym z wolnym poziomem elektronowym K lub L. Zapełnienie

takiego poziomu jest związane z emisją kwantów promieniowania elektromagnetycznego X.

4. Pochłanianie promieniowania β

W przypadku oddziaływania promieniowania β, pojedynczy ujemny ładunek

elektryczny elektronu i jego prędkość zbliżona do prędkości światła sprawiają, że linowe

straty energii tego promieniowania są dużo mniejsze ni_ dla cząstek α. W przeciwieństwie do cząstek α, poruszający się elektron (promieniowanie β) ma taką samą masę spoczynkową jak elektrony ośrodka i w pojedynczym zderzeniu może im przekazywać znaczną część swojej energii, równocześnie zmieniając kierunek ruchu. Strata energii następuje także skokowo, ale

na znacznie większych odległościach. Wartość LET zależy od energii elektronów i waha się

od 1 keV/μm dla niskich energii, do 0,2 keV/μm dla energii 1 MeV. Cząstki β charakteryzują się ciągłym rozkładem energetycznym: od bardzo małych energii do energii maksymalnej, charakterystycznej dla danego radionuklidu. Proces absorpcji tego promieniowania może być w początkowym przedziale grubości absorbenta dobrze opisany równaniem wykładniczym.

Ekstrapolacja końcowej, zakrzywionej krzywej pochłaniania, do zerowego natężenia promieniowania, daje wartość maksymalnego zasięgu promieniowania β tzw. Rmax.

Rys.4. Absorpcja cząstek beta w materii

5. Źródło promieniowania β - ³⁶Cl . Chlor, Cl (łac. chlorum, od stgr. χλωρός „chloros” - „zielonożółty”) − pierwiastek chemiczny z grupy fluorowców, niemetal o liczbie atomowej 17.

Izotopy stabilne to ³⁵Cl i ³⁷Cl. Chlor jest żółtozielonym gazem około dwa i pół razy cięższym od powietrza, o nieprzyjemnym, duszącym zapachu, silnie trującym. Jest silnym utleniaczem, wybielaczem i środkiem dezynfekującym. Składnik wielu powszechnie spotykanych soli oraz innych związków.

I. Aparatura

1. Zestaw pomiarowy z licznikiem scyntylacyjnym ze scyntylatorem polimerowym

3. Źródło promieniowania β - 36Cl

3. Komplet płytek aluminiowych o znanej gęstości powierzchniowej [g/cm2]

II. Metoda pracy

1. Uruchomiono zestaw liczący zgodnie z instrukcją

2. Ustawiono optymalne warunki pracy zestawu liczącego

3. Wykonano pomiar szybkości liczenia tła w ciągu 1800 s.

5. Wykonano pomiary aktywności zgodnie z czasami podanymi w tabeli, oddzielając

źródło promieniowania od licznika scyntylacyjnego kolejno płytkami aluminiowymi

od 0 do 8 szt.

III. Opracowanie wyników

1. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli; xm – masa powierzchniowa.

Nr. Płytki	Xm. [mg/cm2]	T - czas pomiaru [s]	N - liczba impulsów	I = n/t [imp/s]	It-t	In(i-it)
Tło	-	500	2528	5,06	-	-
0	0	500	41707	83,41	78,35	4,36
1	27,8	500	23835	47,67	42,61	3,75
2	55,6	500	14878	29,76	24,7	3,21
3	83,4	500	9735	19,47	14,41	2,66
4	111,2	500	3373	6,75	1,69	0,52
5	139	500	2887	5,77	0,71	-0,34
6	166,8	500	2597	5,19	0,13	-2,04
7	194,6	500	2555	5,11	0,05	-2,99
8	222,4	500	2493	4,99	0,07	-2,66

2. Wykres zależności ln(I-It) = f(xm). Na wykresie wykreślono prostą zależności lnI od xm oraz odczytano μ/ρ oraz zasięg promieniowania Rmax :

2. Obliczenia :

2.1. Średnia masa powierzchniowa;

$$X_{m\ sr} = \ \frac{222,4 + 194,6}{2} = 208,5\frac{\text{mg}}{m^{2\ }} = 0,208\ g/m^{2}$$

2.2. Maksymalna energia promieniowania :

E_max = 1, 84 • R_AL +  0, 295 = 1, 84 • 0, 208 + 0, 295 = 0, 677 MeV

3. Wnioski:

Wraz z dokładaniem płytek aluminiowych stanowiących barierę dla przenikającego miedzy źródłem a scyntylatorem promieniowaniem liczba rejestrowanych zliczeń malała. Maksymalną energię promieniowania izotopu ³⁶Cl zanotowano dla zasięgu równego R_MAX = 0,2 g/cm² i wynosiła ona 0,677 MeV.

4. Literatura :

1.J. Sobkowski, M. Jelińska-Kaźmierczuk-Chemia Jądrowa, Wyd.Adamantan, Warszawa 2006;

2. http://pl.wikipedia.org/wiki/Chlor ;

3. http://kopalniawiedzy.pl/butelka-PET-scyntylator-dozymetr-Sintirex-Hidehito-Nakamura-energia-fotonu-promieniowanie-jonizujace,13596