Лабы / Лаб3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. ОПЕРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВ РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

1. Методические основы

После прохождения коллимированным (т.е. узким) пучком гамма-излучения слоя материала толщиной x скорость счета уменьшается по экспоненциальному закону:

где

N0 – скорость счета (количество гамма-квантов) без защиты;

N – скорость счета (количество гамма-квантов) после прохождения защитного слоя вещества;

m – линейный коэффициент ослабления вещества, [см–1]; m – массовый коэффициент ослабления, [см2/г]; – плотность вещества, [г/см3].

Массовый коэффициент ослабления известен для всех элементарных веществ; для составных веществ его можно рассчитать по формуле

массовый коэффициент ослабления. Значения m для некоторых элементов приведены в таблице 3.1.

1

Таблица 3.1. Массовые коэффициенты ослабления некоторых элементарных веществ, см2/г.

Применение коллиматора для создания узкого пучка гамма-излучения совместно с требованием малой погрешности, т.е. значительной толщины слоя материала, приводит к необходимости использования источников весьма высокой активности (~108 Бк и выше). С другой стороны, использование широкого пучка излучения приводит к тому, что в детектор попадают также рассеянные гамма-кванты (рис. 3.1), поэтому формула (3.1) (и вместе с ней (3.3)) оказывается неприменимой.

Рис. 3.1. Ослабление излучения в материале:

1 – источник, 2 – коллиматоры, 3 – ослабляющее вещество, 4 – детектор. При использовании коллиматоров рассеянное излучение не попадает в детектор.

2

В данной лабораторной работе используется широкий пучок гаммаизлучения от источников небольшой активности (~103–4 Бк). Выделение из общего числа зарегистрированных гамма-квантов только нерассеянных осуществляется расчетным способом, основанным на различии энергий рассеянных и исходных квантов. Рассеянные гамма-кванты имеют меньшую энергию, чем исходные, поэтому энергетический спектр слева от пика полного поглощения «приподнят» вверх: гамма-квантов с меньшей энергией становится больше (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Спектр цезия-137 после прохождения через слой ослабляющего вещества. Пик полного поглощения заметно «приподнят» слева из-за попадания в детектор

рассеянных гамма-квантов. Вклад этих квантов приближенно определяется заштрихованной областью.

Для определения требуемого числа гамма-квантов N в формуле (3.1) необходимо из общей площади под пиком полного поглощения вычесть вклад, обусловленный наличием рассеянного излучения (темная область на рис. 3.2). После этого становится возможным определение плотности вещества обычным способом, с помощью формулы (3.3).

Полученная по формуле (3.3) величина сравнивается с плотностью, определенной весовым способом.

3

2. Порядок проведения лабораторной работы

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Экспериментальная установка:

1– источник излучения (Cs-137 либо Na-22);

2–ослабляющий материал (вода либо порошок корунда);

3– детектор излучения: дозиметр-спектрометр МКС-15ЭЦ;

4– компьютер.

Измеряемые дозиметром-спектрометром МКС-15ЭЦ спектры сохраняются на компьютере, где производится их дальнейшая обработка с помощью специально разработанного программного обеспечения.

Порядок проведения эксперимента:

1.Подготовить детектор излучения МКС-15ЭЦ. Провести калибровку прибора с помощью источника излучения Na-22 (аннигиляционная линия 0.511 МэВ и собственная линия 1.275 МэВ). Для этого

необходимо выбрать в меню МКС-15ЭЦ пункт:

Сервис Калибровка Na-22.

2.Установить значение времени накопления спектров, равным 1 мин.

Для этого необходимо выбрать в меню МКС-15ЭЦ пункт:

Работа Работа со спектрами Время накопления.

3.Провести измерения 12 фоновых спектров (т.е. спектров без источника излучения). Для измерения необходимо в меню МКС15ЭЦ выбрать пункт:

4

Работа Работа со спектрами Снятие спектра.

4.После измерения каждых четырех спектров сохранять результат в памяти компьютера. Для этого:

а) выбрать в меню МКС-15ЭЦ пункт:

Архив Передача (RS-232);

б) подготовить компьютер, запустив программу «Спектрометр»; в меню программы выбрать номер активного COM-порта и пункт меню «Радиометр–спектры»;

в) нажать кнопку «Enter» на спектрометре;

г) после передачи спектров на компьютер следует удалить спектры из памяти спектрометра, для чего необходимо выбрать пункты меню:

Работа Работа со спектрами Очистка спектра.

5.Определить размеры и массу пустого контейнера.

6.Расположить между источником и детектором пустые контейнеры. Снять 12 спектров согласно пп. 3 – 4.

Примечание: результат необходим для определения величины N0.

7.Наполнить контейнер рабочим веществом. Снять 12 спектров согласно пп. 3 – 4.

Примечание: результат необходим для определения величины N.

8.Определить массу контейнера, заполненного рабочим веществом. Определить объем исследуемого вещества в контейнере.

3. Обработка результатов измерений

1.Запустить программу «Обработка гамма-спектров».

2.Открыть файл экспериментальных данных, содержащий измеренные значения для фона, нажав кнопку «Открыть ЭЦ-файл». Примечание: файл содержит четыре спектра!

3.Добавить еще два файла с измеренными фоновыми спектрами,

нажимая кнопку «Добавить ЭЦ-файл».

4.Вычислить и построить средний фоновый спектр, нажав кнопку

«Средний всех ЭЦ-файлов».

5.Сохранить полученный спектр в качестве фонового, нажав кнопку

«Сохранить как фон».

6.Сохранить полученный спектр, нажав кнопку «Сохранить файл». Сохраненный таким образом файл можно прочитать, нажав кнопку

«Прочитать файл».

7.Открыть файлы со спектрами, полученными на пустых контейнерах, и вычислить средний спектр согласно пп. 2 – 4.

5

8.Из полученного среднего спектра вычесть фоновый, нажав кнопку

«Вычесть фон».

9.Сохранить полученный спектр (далее – «спектр 1»), нажав кнопку

«Сохранить файл».

10.Получить аналогичным образом спектры гамма-излучения после ослабления в исследуемом веществе (далее – «спектр 2»), повторяя пп. 7 – 9.

11.Открыть «спектр 1». Вычислить площадь под пиком полного поглощения. Для этого ввести в поля «пределы» крайние значения энергий (в кэВ’ах) и нажать кнопку «интеграл». Полученное значение есть N0 в формуле (3.3).

12.Открыть «спектр 2». Аналогичным образом вычислить площадь под пиком полного поглощения (п. 11), используя те же самые предельные значения энергий. Из полученного значения вычесть площадь прямоугольного треугольника, одно основание которого равно разности предельных значений энергий ( max min ), второе –

высоте, на которую поднята левая граница пика полного поглощения (см. рис. 3.2); эту высоту можно посмотреть, наведя курсор мыши на требуемую точку на спектре или введя значение энергии в поле «линия» и нажав кнопку «интенсивность». Полученное в результате значение есть N в формуле (3.3).

13.По формуле (3.3) рассчитать значение плотности исследуемого образца, полученное радиометрическим методом.

14.Рассчитать значение плотности исследуемого вещества, полученное весовым методом.

15.Рассчитать погрешность определения плотности радиометрическим методом (формула (3.3)). Для оценки случайных составляющих погрешностей величин N и N0 необходимо определить

погрешность определения площадей, вычисляя площади под каждым измеренным пиком поглощения (в тех же самых пределах, что и в п. 11!) по отдельности, для чего:

а) открыть файл («Прочитать файл») с фоновым спектром и нажать кнопку «Сохранить как фон»;

б) открывать файлы со спектрами («Открыть ЭЦ-файл»); в) строить каждый спектр (вводя числа от 1 до 4 в поле «спектр» и

нажимая «Построить спектр»);

г) вычесть из каждого спектра фон («Вычесть фон»); д) вычислить площади согласно п. 12.

е) по полученным значениям площадей определить СКО определения площади под спектром, используя стандартные методы математической статистики.

6

16.Рассчитать погрешность определения плотности вещества весовым методом.

17.Сопоставить полученные результаты.

7