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 называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Радиоактивность характеризуется сортом и энергией вылетающих частиц, длительностью протекания процесса (постоянная распада λ, среднее время жизни τ, период полураспада Т1/2). Основные виды радиоактивного распада – альфа (α) и бета (β). Бета- и гаммарадиоактивность присуща и легким, и средним, и тяжелым ядрам, альфа-радиоактивность встречается только среди тяжелых ядер. При-

нято 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 излу-

чениями.

Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер ус-

танавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида. Эту долю называют постоянной распада и обозначают λ. В общем виде этотзаконвыр а- жается экспоненциальной зависимостью

40

N = N0e−λt ,

(5.1)

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

Для характеристики устойчивости ядер радиоактивного вещества относительно распада используется понятие периода полурас-

пада. Период полураспада радионуклида (Т1/2) – это время, в тече-

ние которого первоначальное число радиоактивных ядер N0 уменьшается в два раза. Связь между постоянной распада (λ) и периодом полураспада (Т1/2) описывается соотношением

Т1/ 2	= ln 2	=	0,693.	(5.2)
	λ		λ

Величина, обратная постоянной распада, называется средним временем жизни τ 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 постоян-

ная распада λ, то активность будет равна
A	= −d N = λN			0	e−λt = λN.			(5.3)
n			d t
Известно, что постоянная радиоактивного распада и период по-
лураспада Т1/2 связаны соотношением
			λ = ln2 .					(5.4)
			T1/2
Моль вещества содержит 6,02 1023					атомов (число Авогадро).
В массе m вещества с массовым числом А число атомов
	N	=	6,02 1023m			.		(5.5)
			А
Тогда активность источника выражается формулой
A	=	ln 2 6,02 1023 m					,	(5.6)
n			А T1/2

где Аn – активность радионуклида, Бк; m – масса радионуклида, г; А – массовое число радионуклида; Т1/2 – период полураспада ра-

41

дионуклида, с.

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

	−0,693 t
A = A e T1/ 2		,	(5.7)
t	0

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

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 а к- тивности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 3,7 1010 распадов, т. е. 1 Ки = 3,7 1010 Бк. Такой актив-

ностью 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 АX сравнивается с известной активностью стандартного источника той же геометрии и близкого состава: АX = АnX / n. Для реализации как абсолютного, так и относительного метода необходимы предварительные сведения о радиоизотопном составе исследуемых образцов (схе-

42

мах распада радиоактивных ядер, входящих в образцы).

Вданной работе используется сцинтилляционный гамма-радио- метр для определения удельной активности изотопа цезия-137 в жидких (вода, молоко, растительное масло и т. п.), сыпучих (мука, крупа, сахар, соль и т. п.) и твердых (мясо, сыр, овощи и т. п.) продуктах питания относительным методом.

2.Приборы и принадлежности

Вданной 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)

ифотоэлектронного 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.

Гамма-излучение радиоактивного источника 1 на базе изотопа Cs-137, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора 2 NaI(Tl), теряет свою энергию на возбуждение атомов и молекул. Излучение возбужденными атомами фотонов, т. е. сцинтилляции, регистрируется фотоэлектронным умножителем 3 (ФЭУ-85). Импульсы напряжения поступают с выхода ФЭУ на вход пересчетного устройства ПСО 6. Питание ФЭУ осуществляется за счет высоковольтного блока 4, питание к которому поступает от блока низковольтного питания 5 (±12 В).

Рис. 5.1. Структурная схема экспериментальной установки: 1 – источник γ-излучения; 2 – сцинтиллятор (люминофор);

43