Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydz. Inżynierii Środowiska i Energetyki

Kier. Inżynieria Środowiska

grupa II

Temat sprawozdania:

Wyznaczanie energii maksymalnej

promieni metodą absorpcyjną.

Sekcja VIII

Tomasz Trela

1. WSTĘP

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ.

Promieniotwórczość to zjawisko samoistnej przemiany jednych jąder atomowych w inne. Głównymi procesami odpowiedzialnymi za promieniotwórczość są:

- rozpad beta,

- rozpad alfa,

- wychwyt elektronu,

- spontaniczne rozszczepienie.

Rozpad beta to rozpad jądra promieniotwórczego, w wyniku, którego emitowany jest (rozpad beta minus) elektron (negaton) i antyneutrino elektronowe, lub (rozpad beta plus) pozyton i neutrino elektronowe.

Promieniowanie emitowane przez substancje promieniotwórcze nie jest promieniowaniem jednorodnym. Substancje promieniotwórcze wysyłają trzy rodzaje promieni: , , i γ. Nie wszystkie pierwiastki radioaktywne wysyłają te trzy rodzaje promieniowania jednocześnie. Niektóre pierwiastki wysyłają cząstki , inne wysyłają cząstki , natomiast promieniowanie g towarzyszy i jednym i drugim.

Na aktywność danego materiału nie ma wpływu żaden prosty proces fizyczny ani chemiczny, taki jak zmiana temperatury czy reakcje z substancjami niepromieniotwórczymi. Curie wykazała, że promieniotwórczość jest zjawiskiem atomowym.

PRĘDKOŚĆ I ENERGIA CZĄSTEK .

W doświadczeniach stwierdzono, że prędkość cząstek  emitowanych przez naturalne jądra

promieniotwórcze mogą wynosić do 0,99 prędkości światła. Większość cząstek  ma energie mniejsze niż 4 MeV, podczas gdy energie prawie wszystkich cząstek  są większe niż 4 MeV. Cząstki  o tej samej energii kinetycznej, co cząstki . a równocześnie ze znacznie mniejszą masą, osiągają znacznie większe prędkości niż cząstka . Cząstka a o energii 4 MeV osiąga prędkość wynoszącą około 1/20 prędkości światła, a elektron o energii 4 MeV osiąga prędkość blisko 0,995 prędkości światła.

Energia cząstek b może osiągać wartości od 10 keV do 10 MeV. Największą energię posiadają cząstki b w przypadku, gdy rozpad zachodzi bez udziału neutrino bądź antyneutrino.

eV - energia jaką uzyskuje elektron przyśpieszony różnicą potencjału - l eV - 1,60219 * 10^-19 J.

neutrino - trwała cząstka elementarna o zerowym ładunku elektrycznym, ¹/₂ ,bardzo małej masie spoczynkowej, dużej przenikliwości i słabym oddziaływaniu.

antyneutrino - antycząsteczka neutrina, która różni się od niego skrętnością - jest prawo

skrętne.

c - (prędkość światła) - 299 860 km/s

ABSORPCJA CZĄSTEK 

Energię cząstek  można wyznaczyć z pomiarów ich absorpcji w materii. Cząstka  o energii 3 MeV ma zasięg w powietrzu do jednego i więcej metrów i wytwarza tylko 4 pary jonów na 1 mm drogi. Jak z tego wynika, stosowanie powietrza jako substancji absorbującej w przypadku cząstek b jest niepraktyczne. Przenikliwość tych cząstek jest jednak wystarczająco wielka, aby można było ciała stałe stosować jako substancje absorbujące,

Najczęściej stosowanymi absorbentami są folie aluminiowe, jakkolwiek równie często są używane złoto i mika (minerały skałotwórcze o podobnym składzie chemicznym oraz zbliżonych właściwościach chemicznych, np.: uwodnione związki glinokrzemianów potasu, magnezu i żelaza.).

W czasie pomiarów absorpcji folię absorpcyjną umieszcza się między aktywnym źródłem a detektorem (licznik Geigera - Mullera) o cienkim okienku. Liczbę zliczeń określa się jako funkcję grubości absorbenta. Naniesiona na wykres maleje liniowo lub prawie liniowo na całej grubości absorbenta. Innymi słowy liczba zliczeń cząstek  maleje w przybliżeniu wykładniczo ze wzrostem grubości absorbenta. Aktywność nie spada do zera, gdy absorbent staje się bardzo gruby, lecz osiąga wartość praktycznie stałą, którą nazywamy tłem. Nawet przy braku źródła cząstek  mamy do czynienia z pewnym promieniowaniem powodującym zliczenia (promieniowanie kosmiczne, promieniowanie X, promieniowanie γ). W swej końcowej części krzywa odbiega od postaci wykładniczej, a punkt, w którym spotyka się ona z tłem , nazywamy zasięgiem liniowym R_BL. Zasięg R_bL jest odległością, którą osiągają cząstki o najwyższej energii i odpowiada on energii końcowego widma ciągłego (widmo - rozkład natężenia promieniowania w zależności od jego energii, częstotliwości i długości fali).

Można otrzymać wykres zasięgu w funkcji energii dla elektronów w różnych substancjach absorbujących i następnie określić energie odpowiadające punktom końcowym widm  na podstawie pomiarów absorpcji. Metoda absorpcyjna nie daje tak dokładnych wyników jak pomiary za pomocą spektrometru magnetycznego. Przewagę jej stanowi jednak jej prostota i szybkość pomiaru.

Przy pomiarach absorpcji grubości podaje się często w gramach lub w miligramach na centymetr kwadratowy absorbenta. Otrzymaną grubość (w cm) mnożymy przez gęstość. W wyniku otrzymujemy wielkość zwaną zasięgiem masowym R_BM.

Pomiary grubości bardzo cienkich folii są niewygodne, a pomiar masy i powierzchni jest prosty iloraz powierzchni i masy odpowiada iloczynowi gęstości i grubości. Ponadto jeżeli ilość absorbenta wyrazimy jako iloczyn gęstości i grubości, to się okazuje, że zasięg prawie nie zależy od natury absorbenta. Wynika to stąd, że zasięg danej cząsteczki b nie zależy wyłącznie od początkowej energii, lecz również od liczby zderzeń z elektronami w czasie przejścia przez absorbent. Liczba tych zderzeń zależy od gęstości elektronowej w absorbencie lub od liczby elektronów przypadających na jednostkę masy. Zdolność zatrzymania cząstki  przez jakiś pierwiastek zależy więc od stosunku liczby atomowej Z do liczby masowej A. Jakkolwiek stosunek ten rośnie od lekkich do ciężkich pierwiastków, to zmiana jego nie ma wielkiego wpływu na grubość potrzebną do zatrzymania cząstki b. W wypadku aluminium, dla którego Z/A = 0,48 zasięg cząstki  o energii ł MeV wynosi około 400 mg/cm². W wypadku złota Z/A = 0,40 zasięg wynosi około 500 mg/cm² i nie różni się wiele od zasięgu w aluminium.

Przejścia cząstek b przez materię są bardzo skomplikowane. Jest to spowodowane tym, iż przy bardzo małej masie ich prędkość jest znaczna. Cząstka b w czasie pojedynczego zderzenia z elektronem atomu maże stracić znaczną część swej energii, co w rezultacie da znacznie większy rozrzut niż w wypadku cząstek cięższych. W następstwie tego nawet, jeżeli cząstka  jest początkowo monoenergetyczna, rozrzut i rozpraszanie mogą spowodować duże różnice w długościach toru cząstek przechodzących przez taką samą grubość absorbenta. W przypadku cząstek  o dużej energii należy wziąć pod uwagę dodatkowy mechanizm strat energii. Elektron przechodząc przez pole elektryczne jądra traci energię przez promieniowanie. Energia ta występuje pod postacią ciągłego widma rentgenowskiego, zwartego promieniowaniem hamowania (strata energii przypadająca na jednostkę długości toru spowodowana przez promieniowanie).

Dla aluminium (Z - 13) strata energii przez promieniowanie wynosi zaledwie kilka procent energii, jaką mogą uzyskać cząstki . W przypadku ciężkich pierwiastków jak ołów (Z = 82) strata energii przez promieniowanie jest znaczna nawet dla cząstek o energii 1 MeV.

Pomimo to procesy oddziaływania pomiędzy cząstkami b i materią są dobrze wyjaśnione i zachodzi dobra zgodność teorii z doświadczeniem.

ZWIĄZEK MIĘDZY ZASIĘGIEM I ENERGIĄ CZĄSTEK .

Znając zasięgi cząstek b na podstawie doświadczeń absorpcyjnych można wykorzystać związek zachodzący pomiędzy zasięgiem i energią przy określeniu maksymalnej energii b. Określony został związek zasięgu i energii dla glinu i można go przedstawić za pomocą wykresu. Po określeniu zasięgu za pomocą pomiaru absorpcji energię można odczytać z wykresu.

BUDOWA LICZNIKA GEIGERA - MULLERA

Licznik Geigera - Mullera zaliczamy do liczników jonizacyjnych. W licznikach jonizacyjnych pod wpływem cząsteczek ,  lub fal γ następuje jonizacja cząsteczek gazu wypełniającego kondensator cylindryczny. Posiada on bardzo prostą budowę: w rurze mosiężnej, miedzianej lub glinowej, średnicy od 1 do kilku cm, naciągnięty jest osiowo, odizolowany od rury drucik stalowy lub wolframowy grubości 0,1- 0,2 mm. Rurę z obu końców zamyka się szczelnie lub też wkłada się do rury szklanej i zatapia. Za pomocą dolutowanej rurki szklanej napełnia się licznik mieszaniną argonu i pary alkoholu. Rurkę się zatapia i licznik jest gotowy. Teraz między drucik, który z reguły jest anodą, i rurę, która jest katodą, włącza się napięcie wynoszące około 1000V. Obwód włącza się prócz opór rzędu 10 - 10 . Licznik ma tę własność, że jeżeli jakikolwiek czynnik jonizujący, a więc np. promienie Rentgena, promienie gamma lub promienie kosmiczne wyzwolą wewnątrz choćby jeden elektron, wówczas w silnym polu elektrycznym biegnie on ku drucikowi i nabywa szybko dostatecznej prędkości, aby przy zderzeniach z neutralnymi drobinami zjonizować je. Jony z kolei rozpędzają się i wywołują dalszą jonizację. Wytwarza się lawina jonów, która przenosi stosunkowo znaczne ładunki. Przez licznik przepływa krótkotrwały prąd wywołujący skok potencjału na oporze. Lecz przepływ prądu nie trwa długo. Częściowo w skutek spadku potencjału na oporze, a częściowo w skutek powolnego ruchu ciężkich jonów dodatnich, z których wytwarza się obłoczek osłaniający ścianki rury, prąd płynący przez licznik po upływie kilku stutysięcznych sekundy przerywa się, po czym wszystko wraca do stanu początkowego. Gdy nowa przyczyna wytworzy nową parę jonów, znów popłynie przez licznik prąd, skok potencjału wytworzy nową parę jonów. Te zmiany potencjału doprowadza się do wzmacniacza. Wzmocnione impulsy działają bezpośrednio lub pośrednio na przyrząd rejestrujący, przy każdym impulsie dawanym przez licznik wyskakuje na numeratorze numer wskazujący liczbę impulsów od początku obserwacji. Przyrząd liczy automatycznie liczbę impulsów. Wyzwolenie prądu w pojedynczym liczniku wywołuje jakakolwiek przyczyna jonizująca gaz w liczniku. Może, więc je wywołać cząstka a, b lub foton rentgenowski, może również spowodować je działanie promieni kosmicznych. Współczesne liczniki (samo gasnące) wypełnione są argonem z domieszką chloru lub bromu. Tak zwane liczniki chlorowcowe pracują stabilnie i mają dłuższą żywotność oraz co jest bardzo ważne, zasilane są niższym napięciem. W pracowni stosujemy liczniki Geigera - Mullera typu BOH 45 produkowane w Instytucie Techniki Jądrowej AGH w Krakowi. Są one przeznaczone do rejestracji promieniowania b, jednak po nałożeniu na okienko osłony metalowej mogą być również wykorzystywane do pomiaru natężenia promieniowania g.

PROMIENIOWANIE TŁA

Promieniowanie jonizujące stale obecne w naszym środowisku, którego źródłem są naturalne izotopy promieniotwórcze i promieniowanie kosmiczne. Terminem tym określamy również promieniowanie zarejestrowane, a nie związane z prowadzonym pomiarem.

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA.

Preparat promieniotwórczy umieszczamy w domku ołowianym w odległości kilku cm od okienka licznika. Nastawiam tryb czasowy na 10³ impulsów.

Pomiary wykonuje najpierw bez absorbenta , a następnie z płytkami aluminiowymi o stałej grubości dokładanymi na drugiej płytce aluminiowej która jest wyżej od płytki z preparatem.

Po włożeniu pierwszej płytki do domku ołowianego zamykam go i przyciskiem START na przeliczniku inicjuje zliczanie czasu zadanych impulsów. Po zakończeniu zliczania otwieram domek ołowiany i dokładam kolejną płytkę.

Zamykam domek ołowiany, przyciskiem RESET zeruje przelicznik, a przyciskiem START inicjuje kolejny etap zliczania. Taki tok postępowania wykonuje dla następujących po sobie grubości absorbenta.

Po dokonaniu pomiarów wykonuje wykres zależności: N' = f(d) oraz ln (N') = f(d).

Na podstawie wykresu ln (N')=f(d) określam zasięg liniowy promieni w aluminium. Obliczam zasięg masowy promieni . Na podstawie danych tablicy tablicy wyrażającej zasięg cząstek β w aluminium rysuje wykres zależności zasięgu masowego promieni w aluminium od ich energii maksymalnej.

3. TABELA POMIARÓW

TŁO [10 min] = 50

LP	GRUBOŚĆ d [mm]	Impulsy N	Czas [s]	N' [min^-1]	ln N' [min^-1]
1	0	1000	15,6	3846,15	8,255
2	0.06	1000	20,2	2970,30	7,996
3	0.06	1000	26,2	2290,08	7,736
4	0.06	1000	31,8	1886,80	7,543
5	0.06	1000	40,3	1488,83	7,306
6	0.06	1000	48,8	1229,51	7,115
7	0.06	1000	64,2	934,58	6,841
8	0.06	1000	77,7	722,20	6,649
9	0.06	1000	103,7	578,60	6,361
10	0.06	1000	144,7	414,65	6,028
11	0.06	1000	167,9	357,46	5,878
12	0.06	1000	220,2	272,48	5,606
13	0.06	1000	283,6	211,57	5,357
14	0.06	1000	426,1	140,81	4,949
15	0.06	1000	438,5	136,83	4,92
16	0.06	1000	461,7	129,95	4,868
17	0.06	1000	563,0	106,57	8,255

4. OBLICZENIA

Na podstawie wykresu ln(N')=f(d) odczytuje zasięg liniowy promieni w aluminium.

Obliczam zasięg masowy promieni w aluminium:

Z_masowy = R_liniowy  ρ _aluminium

Z_masowy = 0,174 [cm] * 2,7[g/cm³]

Z_masowy = 0,4685[g/cm²]

Z_masowy = 468,5 [mg/cm²]

Znając zasięg masowy promieni odczytuje z wykresu E_max = f (Z_masowy)

energię maksymalną promieni .

W naszym przypadku wynosi ona 1,120 [MeV]

5. WNIOSKI KOŃCOWE

Dużo lepszym absorbentem niż aluminium jest ołów, ponieważ zatrzymuje większą ilość cząsteczek pierwiastka promieniotwórczego.

Ołów ze względu na tą właściwość ma szerokie zastosowanie w radiologii jako absorbent promieniowanie radioaktywnego.

Aby policzyć R_{liniowy Pb} wystarczy zastosować się do wzoru:

R_linowyPb = Z_masowyAl/ρ_Pb

Możemy tak liczyć dla każdego innego pierwiastka znając tylko jego gęstość.

---